Los paquetes de baterías de almacenamiento de energía y energía se ensamblan mediante conexión de celdas en serie y en paralelo, pero las celdas no están en contacto directo entre sí. Las celdas de iones de litio-experimentan expansión de volumen durante la carga y descarga, por lo que se deben disponer materiales amortiguadores entre las celdas para absorber la tensión mecánica. En la actualidad, los materiales de espuma se adoptan ampliamente para satisfacer los requisitos tanto de amortiguación dinámica como de soporte estático.
01 Fenómeno de hinchazón de los módulos de baterías de iones de litio-
Las baterías de iones de litio-reciben el nombre vívido de "baterías de mecedora": impulsadas por la diferencia de potencial, los iones de litio van y vienen entre cátodos y ánodos para almacenar y liberar energía eléctrica.
Sin embargo, la intercalación y desintercalación de Li⁺ dentro y fuera de los materiales activos del cátodo y del ánodo provocan una expansión de volumen de las sustancias activas. Dicha hinchazón se divide en dos categorías: hinchazón reversible e hinchazón irreversible. La hinchazón irreversible se acumula continuamente a medida que aumentan los ciclos de carga-descarga.
Hay tres causas fundamentales para la hinchazón de las células: hinchazón electroquímica, hinchazón por generación de gas y efectos de la temperatura.
Los tableros epoxi se utilizan comúnmente como materiales amortiguadores entre baterías de plomo-ácido para vehículos eléctricos de dos-ruedas. Sin embargo, los tableros epoxi presentan una alta fragilidad y cero resiliencia, y no logran absorber la fuerza de expansión celular. Por lo tanto, no son adecuados como materiales amortiguadores para paquetes de baterías de iones de litio-a pesar de su coste ultra-bajo.
Las baterías-de ánodo de silicio-de litio ofrecen una densidad de energía drásticamente mayor en comparación con sus homólogas de ánodo de carbono-, lo que representa un enfoque eficaz para aumentar aún más la densidad de energía de la batería. Sin embargo, su excesiva tasa de hinchamiento (el espesor aumenta entre un 15 % y un 30 % después de 100 ciclos) ha dificultado durante mucho tiempo su aplicación comercial a gran-escala.
02 Principales tipos de materiales amortiguadores
La hinchazón de las celdas es una característica inherente a lo largo de toda la vida útil de las baterías. Mitigar los impactos adversos provocados por la hinchazón se vuelve fundamental para extender la vida útil de la batería.
No amortiguar adecuadamente la inflamación celular irreversible acelerará aún más la degradación de la capacidad.
Cuatro reglas básicas que rigen el hinchamiento de las células de iones de litio-:
Distribución espacial: La fuerza de expansión en la zona central es mayor que en los bordes.
Correlación de capacidad: una mayor capacidad de la celda corresponde a una mayor tasa de hinchamiento (las celdas de almacenamiento de energía generalmente presentan grandes capacidades).
Química celular: las células ternarias se hinchan más intensamente que las células LFP. Las células NCM811 alcanzan una tasa de hinchazón del 6% al 8%, mientras que las células LFP solo alcanzan el 3% al 5%. En general, las células con mayor densidad de energía exhiben tasas de hinchamiento más altas.
Recuento de ciclos: la hinchazón irreversible se acumula con el aumento de los ciclos de carga-descarga, lo que lleva a una mayor expansión celular general.
Por lo tanto, los materiales amortiguadores son componentes indispensables para los módulos y cumplen tres funciones principales: distribución de presión, compensación de desplazamiento, aislamiento térmico y retardo de llama.
(1) Espuma de silicona
La resina de silicona base tiene una densidad de 1,17 g/cm³; después de la formación de espuma, la densidad cae a 0,16-0,20 g/cm³. Alcanza retardo de llama vertical UL94-V0 y baja compresión. Se recomienda espuma de silicona para módulos de almacenamiento de energía de alta capacidad con una fuerte fuerza de expansión.
(2) Espuma EVA
La espuma EVA se ve mucho en productos cotidianos como las suelas de zapatillas. Los usuarios pueden notar su inconveniente obvio: la parte del talón sufre un aplanamiento permanente después de un uso prolongado-, lo que indica una alta compresión del EVA. La espuma EVA es de bajo costo-y se aplica principalmente entre módulos de celdas prismáticas.
(3) Espuma CR
La espuma CR, nombre completo de Espuma de caucho de cloropreno, cumple con la certificación retardante de llama UL94 V-0 y los estándares ambientales RoHS. Características: baja densidad, peso ligero, baja dureza, alta compresibilidad, excelente aislamiento térmico y retardo de llama, resistencia superior y larga vida útil.
(4) Espuma de PU
PU se refiere a copolímeros compuestos de innumerables micro-poros y estructuras de resina de poliuretano, incluida la poliurea y el poliuretano modificado. El PU ofrece una resistencia a la compresión ligeramente inferior y se utiliza principalmente entre módulos de celdas de bolsa. Características: estructura porosa, baja densidad, alta resistencia específica, rebote y permeabilidad al aire decentes, baja pérdida por histéresis, alta relación de carga de compresión, buena resistencia a las llamas y excelente resistencia al envejecimiento térmico, envejecimiento por humedad y fatiga dinámica.
(5) Espuma MPP
MPP es un material poroso de polipropileno (PP) espumado fabricado mediante tecnología limpia de dióxido de carbono supercrítico para generar numerosas burbujas de tamaño micrométrico dentro del sustrato. MPP cumple con los estándares RoHS y REACH y se aplica ampliamente en la nueva industria energética. Características: peso ligero, alta resistencia, absorción eficiente de energía de impacto, excelente retardo de llama y resistencia al calor.
(6) aerogel
Los materiales anteriores son sustratos elásticos diseñados principalmente para absorber la fuerza de expansión celular. El aerogel es otro material intercelular ampliamente adoptado centrado en el aislamiento térmico y el retardo de llama; también posee una compresibilidad decente para proporcionar un rendimiento de almacenamiento en búfer moderado. Por ejemplo, bajo una carga de aproximadamente 200 kgf en un módulo 1P13S, una lámina de aerogel de 2,0 mm de espesor se comprime hasta aproximadamente 1,5 mm.
Las láminas de aislamiento térmico de aerogel son materiales compuestos hechos de aerogel de sílice y sustratos de fibra cerámica. Presentan baja densidad, alta porosidad, resistencia a altas temperaturas y baja conductividad térmica, lo que bloquea eficazmente la propagación del calor entre las células durante la fuga térmica.
