Mecanismo de deformación y estrategias de prevención de la carcasa de aluminio de las baterías de iones de litio-

Las baterías de iones de litio-, con sus ventajas de estructura regular y alta densidad de energía, se utilizan ampliamente en campos como los vehículos de nueva energía. Sin embargo, sus características estructurales anisotrópicas las hacen propensas a problemas de deformación, como celdas cóncavas y convexas, debido a fuerzas desiguales en las direcciones de longitud y anchura durante la producción, lo que a su vez afecta la seguridad y la vida útil de la batería. La aparición de problemas de deformación está estrechamente relacionada con múltiples aspectos, como las propiedades de los materiales, los procesos de fabricación y el control ambiental interno de Power Battery Cell. Es necesario analizar las causas desde múltiples dimensiones e implementar políticas específicas. Este artículo proporciona un-análisis en profundidad de las causas principales de la deformación en las celdas de energía Lifepo4 y las medidas de control y prevención del sistema, proporcionando referencia técnica para la práctica de producción de la industria.

En el sistema de producción de baterías de iones de litio, la estabilidad de la estructura de la carcasa de las baterías de iones de litio-está directamente relacionada con la confiabilidad del producto, y la aparición de problemas de deformación es a menudo el resultado del efecto sinérgico de múltiples factores, como las propiedades del material, el control del proceso y el estado termodinámico interno. Desde la perspectiva del material y las dimensiones estructurales, la selección del material de la carcasa de aluminio y el diseño resistente son los factores fundamentales. Si se utilizan materiales con una resistencia a la tracción insuficiente, como la aleación de aluminio 3003, o si el espesor de la carcasa es inferior a 0,6 mm, son propensos a deformarse bajo presión interna y estrés térmico. Al mismo tiempo, no se pueden ignorar las características estructurales de la zona de soldadura. La zona afectada por el calor-que se forma durante el proceso de soldadura experimentará una disminución del 20 al 30 % en la resistencia local debido a la reorganización de la red, convirtiéndose en un área de concentración de tensiones propensa a deformarse cuando se somete a tensiones posteriores.

La racionalidad del proceso de soldadura tiene un impacto decisivo en la estabilidad estructural de la carcasa de la batería de iones de litio para el sistema solar, y los defectos del proceso son un vínculo importante en la inducción de la deformación. La soldadura láser, como proceso principal, si el control de la entrada de calor está fuera de control, como una potencia superior a 300 W o una velocidad de soldadura inferior a 30 mm/s, provocará temperaturas locales que excederán con creces el punto de fusión del aluminio a 660 grados, y el baño fundido será demasiado profundo, lo que provocará un fuerte aumento en la tensión de contracción por enfriamiento; Un diseño inadecuado del cordón de soldadura, como la ausencia de muescas de alivio de tensión en la soldadura de anillo continuo y un ancho del cordón de soldadura inferior a 0,8 mm, puede reducir la capacidad de carga-de la soldadura y exacerbar aún más el riesgo de deformación.

La presión interna anormal de la batería es la principal causa termodinámica de deformación, que también existe en los sistemas convencionales como la batería de iones de litio LiFePO4. Las reacciones secundarias, como la descomposición del electrolito y el daño anormal a la película SEI dentro de la celda de la batería, acelerarán la producción de gas cuando la temperatura exceda los 45 grados, y cuando la presión interna exceda los 10 kPa, empujará la carcasa para que se deforme; Al mismo tiempo, la tasa de expansión del electrodo negativo puede alcanzar el 20-30% en un estado completamente cargado. Si el espacio entre el núcleo y la pared interior de la carcasa excede 1,0 mm (el espacio estándar de la industria es de 0,3 a 0,8 mm), la carcasa no puede limitar eficazmente la fuerza de expansión y girará hacia un mayor grado de libertad en la dirección vertical, provocando la deformación de la placa de cubierta o la pared lateral. Además, en la producción de paquetes de baterías de litio para sistemas de almacenamiento de energía solar, si el espacio entre el núcleo y la pared interior de la carcasa excede el estándar, el electrodo negativo primero llenará los espacios circundantes al expandirse, amplificando aún más el efecto de deformación vertical.

Las desviaciones del control del proceso durante el proceso de producción también pueden inducir o exacerbar problemas de deformación. Si el espacio entre la placa de cubierta y la carcasa excede los 0,2 mm durante el proceso de ensamblaje, la tensión térmica durante la soldadura se superpondrá al efecto de desplazamiento del espacio, lo que provocará directamente la deformación; Si el grado de vacío se establece demasiado bajo (por debajo de -90 kPa) durante la etapa de sellado, la presión atmosférica externa actuará directamente sobre las partes débiles de la carcasa, provocando una deformación por compresión pasiva.

Con base en el mecanismo de deformación anterior y la práctica técnica de la industria, se puede construir un sistema de prevención y control a partir de dimensiones como optimización de materiales, mejora de procesos, control de presión interna y fortalecimiento de procesos. En términos de optimización estructural y de materiales, la idea central es mejorar la capacidad de carga-de la carcasa, lo que se puede lograr utilizando una aleación de aluminio 5052 con un aumento del 30% en la resistencia a la tracción, agregando nervaduras de refuerzo de 0,5-1,0 mm de altura en el área de la cubierta superior y aumentando el grosor de la carcasa de las baterías de iones de litio del sistema solar doméstico a 0,8-1,0 mm. Al mismo tiempo, se adopta una estructura de soldadura compuesta que combina soldadura láser y soldadura ultrasónica para reducir la entrada de calor en un solo punto y mejorar la estabilidad del área de soldadura.

La mejora del proceso de soldadura debe centrarse en el control fino, utilizando una estrategia de soldadura de potencia de gradiente, es decir, una combinación de parámetros de 200 W/30 mm/s para la sección inicial, 250 W/25 mm/s para la sección media y 180 W para la sección final, para controlar la profundidad de la zona afectada por el calor dentro de 0,5 mm; Al mismo tiempo, optimice el diseño del cordón de soldadura cambiando el cordón de soldadura continuo a un modo de soldadura segmentado, con cada segmento de 5 a 8 mm y una zona de liberación de tensión reservada de 2 mm. Al mismo tiempo, aumente el ancho del cordón de soldadura a 1,2 mm para mejorar la capacidad de carga de la soldadura.

El control de la presión interna debe comenzar desde dos aspectos: compensación de expansión y supresión de la producción de gas. En términos de diseño estructural, se puede instalar una capa amortiguadora elástica con una tasa de compresión superior al 50% en el interior de la placa de cubierta de las baterías solares de litio, dejando 0,5-1,0 mm de espacio de expansión para aliviar el impacto de la presión causado por la expansión negativa del electrodo; En términos de optimización del sistema químico, agregar 1-2% de aditivos formadores de película FEC en el proceso de inyección puede suprimir eficazmente el daño anormal a la película SEI, controlar la producción de gas bajo carga completa dentro de 0,5 ml/Ah (monitoreado en tiempo real mediante pruebas de cromatografía de gases) y reducir la acumulación de presión interna desde la fuente.

El fortalecimiento del control del proceso requiere el uso de tecnología inteligente, introduciendo un sistema de posicionamiento visual en el proceso de ensamblaje para controlar la precisión del posicionamiento dentro de ± 0,05 mm. Al mismo tiempo, actualizar el dispositivo de soldadura a un modo de sujeción de fuerza constante garantiza una fuerza de sujeción de 20-30N con fluctuaciones que no superan el 5%, lo que reduce el riesgo de deformación causado por la desviación del ensamblaje. Agregue una estación de prueba de presión en la etapa de separación química, que emitirá una alarma automáticamente cuando la presión detectada supere los 5 kPa. Al mismo tiempo, combinado con la detección por rayos X-de la tasa de deformación de la carcasa, el umbral se controlará dentro del 0,3 % para lograr la identificación temprana y el control de los problemas de deformación en la batería para el sistema de almacenamiento de energía de iones de litio.

Cabe señalar que la prevención y el control de la deformación de la carcasa de iones de litio para BESS es un proceso de ingeniería sistemático. Los parámetros técnicos involucrados en el artículo deben combinarse con equipos de producción, modelos de productos y escenarios de aplicación específicos, y optimizarse y verificarse mediante experimentos del DOE antes de su implementación. Para productos con escenarios de aplicación especiales, comoBaterías-de iones de litio, es necesario ajustar aún más los parámetros de prevención y control en función de las características de temperatura y presión del entorno de aplicación para garantizar la estabilidad estructural del producto durante todo su ciclo de vida. Además, la prevención y el control de la deformación de la celda de batería recargable de iones de litio también deben tener en cuenta los cambios termodinámicos durante los ciclos de carga y descarga, y lograr un control de calidad durante todo el proceso.