Erweiterungsphänomen Lithium-Batteriemodul
Lithiumbatterien werden oft als “Schaukelstuhlbatterien” bezeichnet, was bedeutet, dass Lithiumionen zwischen der positiven und der negativen Elektrode hin- und herwandern, angetrieben durch eine Potenzialdifferenz, und dabei elektrische Energie speichern und freisetzen.
Der Prozess der Interkalation und Deinterkalation von Li+ in den positiven und negativen Elektrodenmaterialien führt jedoch zu einer Volumenausdehnung des aktiven Materials. Diese Ausdehnung kann reversibel oder irreversibel sein, und die irreversible Ausdehnung akkumuliert sich mit der Anzahl der Lade- und Entladezyklen in Lithium-Ionen-Batterien.
Die Ausdehnung der Batteriezellen wird hauptsächlich durch drei Faktoren verursacht: elektrochemische Ausdehnung, Gasungsausdehnung und Temperatureffekte.
Epoxidplatten werden häufig als Puffermaterial zwischen Bleisäurebatterien in zweirädrigen Elektrofahrzeugen verwendet. Epoxidplatten sind jedoch spröde und nicht elastisch genug, um die Ausdehnungskraft der Zellen zu absorbieren. Daher sind sie trotz ihres sehr niedrigen Preises als Puffermaterial für Lithium-Ionen-Batteriepacks ungeeignet.
Im Vergleich zu Kohlenstoffanoden weisen Lithium-Ionen-Batterien mit Siliziumanoden eine deutlich höhere Energiedichte auf und bieten damit eine effektive Möglichkeit, die Energiedichte von Batterien weiter zu erhöhen. Ihre erhebliche Ausdehnungsrate (die Dicke nimmt nach 100 Zyklen um 15%-30% zu) hat jedoch ihre praktische Anwendung behindert.
Haupttypen von Dämpfungsmaterialien
Da die Zellexpansion ein inhärentes Phänomen während des Lebenszyklus der Batterie ist, ist die Minimierung ihrer negativen Auswirkungen entscheidend für die Verlängerung der Batterielebensdauer.
Wenn die irreversible Zellexpansion nicht wirksam eingedämmt wird, beschleunigt sie den Abbau der Lebensspanne der Zelle weiter.
Für die Erweiterung von Lithium-Ionen-Zellen gelten die folgenden Muster:
1) Räumliche Verteilung: Die Expansionskraft ist in der Mitte größer als an den Rändern.
2) Kapazität: Je größer die Kapazität der Zelle, desto größer die Ausdehnungsrate (Energiespeicherzellen haben in der Regel große Kapazitäten).
3) Zelltyp: Ternäre Zellen haben eine höhere Expansionsrate als Lithium-Eisenphosphat-Zellen (NCM811-Zellen können um 6-8% expandieren, während LFP-Zellen nur um 3-5% expandieren).
Je höher die Energiedichte der Batterie ist, desto größer ist die Ausdehnungsrate.
4) Zyklenzahl: Mit zunehmender Anzahl von Lade- und Entladezyklen akkumuliert sich die irreversible Ausdehnung, und die Zelle dehnt sich weiter aus.
Daher sind Polstermaterialien für das Modul unerlässlich. Zu ihren wichtigsten Funktionen gehören Druckverteilung, Verdrängungsausgleich, Wärmedämmung und Flammhemmung.
Silikonschaum
Die Dichte der Silikonschaumbasis beträgt 1,17 g/cm³. Nach dem Aufschäumen beträgt die Dichte etwa 0,16-0,20 g/cm³. Seine vertikale Flammwidrigkeit kann UL94-V0 erreichen und hat einen geringen Druckverformungsrest. Silikonschaum ist besonders als Polstermaterial für größere Energiespeichermodule (die größeren Ausdehnungskräften ausgesetzt sind) zu empfehlen.
EVA-Schaum
EVA-Schaum ist im Alltag recht häufig anzutreffen - er wird für die Sohlen von Hausschuhen verwendet. Wer schon einmal solche Hausschuhe besessen hat, kennt vielleicht die Nachteile: Die Fersen können sich nach längerem Gebrauch dauerhaft abflachen, was auch darauf hinweist, dass EVA einen hohen Druckverformungsrest hat.
EVA ist kostengünstig und wird hauptsächlich zwischen prismatischen Batteriezellenmodulen verwendet.
CR-Schaum
CR-Schaum, die Abkürzung für Chloropren-Kautschuk-Schaum, ist nach UL94V-0 flammhemmend und RoHS-konform.
Eigenschaften: Geringe Dichte, geringes Gewicht, niedrige Härte, hohe Kompression, ausgezeichnete Wärmedämmung und Flammschutz, ausgezeichnete Elastizität und lange Lebensdauer.
PU
PU bezieht sich auf ein Copolymer aus Polyharnstoff/modifiziertem Polyurethan, das durch zahlreiche Mikroporen und Polyurethanharzwände gekennzeichnet ist. PU hat eine etwas geringere Druckfestigkeit und wird hauptsächlich zwischen Soft-Pack-Batteriemodulen verwendet.
Merkmale: Porosität, geringe Dichte und hohe spezifische Festigkeit. Es weist eine hohe Rückprall- und Luftdurchlässigkeit, einen geringen Hystereseverlust, ein hohes Druck-Last-Verhältnis und eine ausgezeichnete Flammbeständigkeit sowie eine hohe Beständigkeit gegen Wärmealterung, Feuchtigkeitsalterung und dynamische Ermüdung auf.
MPP
MPP ist ein poröser Schaumstoff, der durch die Erzeugung einer großen Anzahl mikrometergroßer Blasen in Polypropylen (PP) mittels sauberer überkritischer Kohlendioxidtechnologie hergestellt wird. MPP erfüllt die RoHS- und REACH-Anforderungen und wird häufig im Bereich der neuen Energien eingesetzt.
Merkmale: Geringes Gewicht, hohe Festigkeit, effiziente Absorption der Aufprallenergie, ausgezeichnete Flammwidrigkeit und Hitzebeständigkeit.
Aerogel
Die oben genannten elastischen Materialien absorbieren in erster Linie die Ausdehnungskraft der Batteriezellen. Aerogel ist ein weiteres, häufig verwendetes Material zwischen den Batteriezellen. Seine Hauptfunktion ist die thermische Isolierung und der Flammschutz, aber Aerogel weist auch hervorragende Kompressionseigenschaften auf, die einen gewissen Polstereffekt bewirken.
In einem 1P13S-Modul beispielsweise wird eine 2,0 mm dicke Aerogelschicht unter einer Last von etwa 200 kgf auf etwa 1,5 mm komprimiert.
Aerogel-Isolierfolie ist ein Verbundisoliermaterial, das aus Silika-Aerogel und einer Keramikfasermatrix besteht. Es zeichnet sich durch geringe Dichte, hohe Porosität, hohe Temperaturbeständigkeit und niedrige Wärmeleitfähigkeit aus und verhindert wirksam die Wärmeübertragung zwischen den Batteriezellen während des thermischen Durchgehens.
Zusammenfassend
| Material Abkürzung | Material Bezeichnung | Anmeldung |
|---|---|---|
| EVA | Ethylen-Vinylacetat-Copolymer | Wird zwischen prismatischen Batteriezellen verwendet und ist kostengünstig. |
| PU | Polyurethan | Wird in der Regel zwischen Pouch-Batteriezellen verwendet. |
| / | Silikonschaum | Wird zwischen prismatischen Batteriezellen verwendet, mit guter Alterungsbeständigkeit und Druckfestigkeit. |
| CR | Neopren-Kautschuk-Schaumstoff | Gute Druckfestigkeit, wird für Abdichtungen und Isolierungen verwendet. |
| MPP | Polypropylen | Wird zwischen prismatischen Batteriezellen verwendet und ist kostengünstig. |
