กลไกการเสียรูปและแนวทางการป้องกันเปลือกอะลูมิเนียมของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนซึ่งมีข้อดีคือมีโครงสร้างปกติและมีความหนาแน่นของพลังงานสูง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น ยานพาหนะพลังงานใหม่ อย่างไรก็ตาม ลักษณะโครงสร้างแบบแอนไอโซทรอปิกทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาการเสียรูป เช่น เซลล์เว้าและนูน เนื่องมาจากแรงไม่สม่ำเสมอในทิศทางความยาวและความกว้างระหว่างการผลิต ซึ่งจะส่งผลต่อความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ การเกิดปัญหาการเสียรูปนั้นมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับหลายแง่มุม เช่น คุณสมบัติของวัสดุ กระบวนการผลิต และการควบคุมสิ่งแวดล้อมภายในของ Power Battery Cell จำเป็นต้องวิเคราะห์สาเหตุจากหลายมิติและนำนโยบายที่กำหนดเป้าหมายไปใช้ บทความนี้นำเสนอการวิเคราะห์เชิงลึก-เกี่ยวกับสาเหตุหลักของการเสียรูปใน Power Cells ของ Lifepo4 และมาตรการป้องกันและควบคุมระบบ โดยให้ข้อมูลอ้างอิงทางเทคนิคสำหรับแนวทางปฏิบัติด้านการผลิตในอุตสาหกรรม

ในระบบการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความเสถียรของโครงสร้างเปลือกแบตเตอรี่ลิเธียม-มีความสัมพันธ์โดยตรงกับความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ และการเกิดปัญหาการเสียรูปมักเป็นผลมาจากผลการทำงานร่วมกันของปัจจัยหลายประการ เช่น คุณสมบัติของวัสดุ การควบคุมกระบวนการ และสถานะทางอุณหพลศาสตร์ภายใน จากมุมมองของวัสดุและขนาดโครงสร้าง การเลือกใช้วัสดุเปลือกอลูมิเนียมและการออกแบบความแข็งแรงเป็นปัจจัยพื้นฐาน หากใช้วัสดุที่มีความต้านทานแรงดึงไม่เพียงพอ เช่น อลูมิเนียมอัลลอยด์ 3003 หรือหากความหนาของเปลือกน้อยกว่า 0.6 มม. วัสดุเหล่านั้นมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการเสียรูปภายใต้แรงดันภายในและความเครียดจากความร้อน ในขณะเดียวกันก็ไม่สามารถละเลยลักษณะโครงสร้างของพื้นที่เชื่อมได้ โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน-ที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการเชื่อมจะลดลง 20-30% ในความแข็งแรงเฉพาะที่เนื่องจากการปรับโครงสร้างตาข่ายใหม่ กลายเป็นพื้นที่ความเข้มข้นของความเครียดที่มีแนวโน้มที่จะเสียรูปเมื่ออยู่ภายใต้ความเครียดที่ตามมา

ความสมเหตุสมผลของกระบวนการเชื่อมมีผลกระทบอย่างชัดเจนต่อความเสถียรของโครงสร้างของเปลือกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับระบบสุริยะ และข้อบกพร่องของกระบวนการเป็นส่วนเชื่อมโยงที่สำคัญในการกระตุ้นให้เกิดการเสียรูป การเชื่อมด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการหลัก หากการควบคุมอินพุตความร้อนอยู่นอกเหนือการควบคุม เช่น กำลังไฟฟ้าเกิน 300W หรือความเร็วในการเชื่อมต่ำกว่า 30 มม./วินาที จะทำให้อุณหภูมิในท้องถิ่นเกินจุดหลอมเหลวของอลูมิเนียมที่ 660 องศาอย่างมาก และแหล่งหลอมเหลวจะลึกเกินไป ส่งผลให้ความเครียดจากการหดตัวในการทำความเย็นเพิ่มขึ้นอย่างมาก การออกแบบขอบเชื่อมที่ไม่เหมาะสม เช่น การไม่มีรอยบากบรรเทาความเค้นในการเชื่อมแบบวงแหวนอย่างต่อเนื่องและความกว้างของขอบเชื่อมน้อยกว่า 0.8 มม. สามารถลด-ความสามารถในการรับน้ำหนักของแนวเชื่อม และทำให้ความเสี่ยงของการเสียรูปรุนแรงขึ้นอีก

แรงดันภายในที่ผิดปกติของแบตเตอรี่เป็นสาเหตุหลักทางอุณหพลศาสตร์ที่ทำให้เกิดการเสียรูป ซึ่งมีอยู่ในระบบกระแสหลัก เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน LiFePO4 ปฏิกิริยาข้างเคียง เช่น การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และความเสียหายที่ผิดปกติต่อฟิล์ม SEI ภายในเซลล์แบตเตอรี่ จะเร่งการผลิตก๊าซเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 45 องศา และเมื่อความดันภายในเกิน 10kPa ก็จะดันเปลือกให้เปลี่ยนรูป ในเวลาเดียวกัน อัตราการขยายตัวของอิเล็กโทรดเชิงลบสามารถเข้าถึง 20-30% ในสถานะที่ชาร์จเต็มแล้ว หากช่องว่างระหว่างแกนและผนังด้านในของเปลือกเกิน 1.0 มม. (ช่องว่างมาตรฐานอุตสาหกรรมคือ 0.3-0.8 มม.) แรงในการขยายตัวไม่สามารถถูกจำกัดโดยเปลือกได้อย่างมีประสิทธิภาพ และจะหันไปสู่ระดับอิสระที่สูงขึ้นในทิศทางแนวตั้ง ทำให้เกิดการเสียรูปของแผ่นปิดหรือผนังด้านข้าง นอกจากนี้ ในการผลิตชุดแบตเตอรี่ลิเธียมระบบจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ หากช่องว่างระหว่างแกนกลางและผนังด้านในของเปลือกเกินมาตรฐาน อิเล็กโทรดลบจะเติมช่องว่างโดยรอบก่อนเมื่อขยาย ซึ่งจะขยายผลการเปลี่ยนรูปในแนวตั้งเพิ่มเติม

ความเบี่ยงเบนในการควบคุมกระบวนการในระหว่างกระบวนการผลิตอาจทำให้เกิดหรือทำให้ปัญหาการเสียรูปรุนแรงขึ้นได้ หากช่องว่างระหว่างแผ่นปิดและเปลือกเกิน 0.2 มม. ในระหว่างกระบวนการประกอบ ความเครียดจากความร้อนระหว่างการเชื่อมจะซ้อนทับกับเอฟเฟกต์การกระจัดของช่องว่าง ซึ่งนำไปสู่การเสียรูปโดยตรง หากตั้งค่าระดับสุญญากาศต่ำเกินไป (ต่ำกว่า -90kPa) ในระหว่างขั้นตอนการปิดผนึก ความดันบรรยากาศภายนอกจะกระทำโดยตรงต่อส่วนที่อ่อนแอของเปลือก ทำให้เกิดความผิดปกติของการบีบอัดแบบพาสซีฟ

จากกลไกการเสียรูปข้างต้นและแนวปฏิบัติทางเทคนิคของอุตสาหกรรม ระบบการป้องกันและการควบคุมสามารถสร้างขึ้นได้จากมิติต่างๆ เช่น การปรับวัสดุให้เหมาะสม การปรับปรุงกระบวนการ การควบคุมแรงดันภายใน และการเสริมความแข็งแกร่งของกระบวนการ ในแง่ของวัสดุและการปรับโครงสร้างให้เหมาะสม แนวคิดหลักคือการปรับปรุง-ความสามารถในการรับน้ำหนักของเปลือก ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้อลูมิเนียมอัลลอยด์ 5052 ที่มีความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้น 30% โดยเพิ่มซี่โครงเสริมแรงสูง 0.5-1.0 มม. ในพื้นที่ฝาครอบด้านบน และเพิ่มความหนาของเปลือกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนระบบบ้านพลังงานแสงอาทิตย์เป็น 0.8-1.0 มม. ในเวลาเดียวกัน โครงสร้างการเชื่อมแบบคอมโพสิตที่ผสมผสานการเชื่อมด้วยเลเซอร์และการเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกถูกนำมาใช้เพื่อลดการป้อนความร้อนจากจุดเดียว และปรับปรุงเสถียรภาพของพื้นที่การเชื่อม

การปรับปรุงกระบวนการเชื่อมจำเป็นต้องมุ่งเน้นไปที่การควบคุมอย่างละเอียด โดยใช้กลยุทธ์การเชื่อมด้วยกำลังไล่ระดับ นั่นคือ การรวมกันของพารามิเตอร์ 200W/30มม./วินาที สำหรับส่วนเริ่มต้น 250W/25มม./วินาที สำหรับส่วนตรงกลาง และ 180W สำหรับส่วนสิ้นสุด เพื่อควบคุมความลึกของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนภายใน 0.5 มม. ในเวลาเดียวกัน ให้ปรับการออกแบบเม็ดเชื่อมให้เหมาะสมโดยการเปลี่ยนเม็ดเชื่อมต่อเนื่องเป็นโหมดการเชื่อมแบบแบ่งส่วน โดยแต่ละส่วนจะมีขนาด 5-8 มม. และสงวนโซนคลายความเค้น 2 มม. ในเวลาเดียวกันให้เพิ่มความกว้างของขอบเชื่อมเป็น 1.2 มม. เพื่อเพิ่มความสามารถในการรองรับการเชื่อม

การควบคุมแรงดันภายในต้องเริ่มต้นจากสองด้าน: การชดเชยการขยายตัวและการระงับการผลิตก๊าซ ในแง่ของการออกแบบโครงสร้าง สามารถติดตั้งชั้นบัฟเฟอร์ยืดหยุ่นที่มีอัตราการบีบอัดเกิน 50% ที่ด้านในของแผ่นปิดของแบตเตอรี่ลิเธียมโซลาร์แบตเตอรี่ โดยเหลือพื้นที่การขยาย 0.5-1.0 มม. เพื่อบรรเทาผลกระทบจากแรงดันที่เกิดจากการขยายตัวของอิเล็กโทรดเชิงลบ ในแง่ของการปรับระบบเคมีให้เหมาะสม การเติมสารเติมแต่งที่สร้างฟิล์ม FEC 1-2% ในกระบวนการฉีดสามารถระงับความเสียหายที่ผิดปกติต่อฟิล์ม SEI ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ควบคุมการผลิตก๊าซภายใต้การชาร์จเต็มภายใน 0.5 มล./อาห์ (ตรวจสอบแบบเรียลไทม์ผ่านการทดสอบแก๊สโครมาโทกราฟี) และลดการสะสมแรงดันภายในจากแหล่งกำเนิด

การเสริมสร้างการควบคุมกระบวนการต้องใช้เทคโนโลยีอัจฉริยะ โดยการแนะนำระบบกำหนดตำแหน่งด้วยภาพในกระบวนการประกอบเพื่อควบคุมความแม่นยำของตำแหน่งภายใน ± 0.05 มม. ในเวลาเดียวกัน การอัพเกรดฟิกซ์เจอร์การเชื่อมเป็นโหมดการจับยึดด้วยแรงคงที่ทำให้มั่นใจได้ว่าแรงจับยึด 20-30N โดยมีความผันผวนไม่เกิน 5% ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงในการเสียรูปที่เกิดจากการเบี่ยงเบนของการประกอบ เพิ่มสถานีทดสอบแรงดันในขั้นตอนการแยกสารเคมี ซึ่งจะแจ้งเตือนโดยอัตโนมัติเมื่อความดันที่ตรวจพบเกิน 5kPa ในเวลาเดียวกัน เมื่อรวมกับการตรวจจับอัตราการเปลี่ยนรูปของเปลือกด้วยรังสีเอกซ์ - เกณฑ์จะถูกควบคุมภายใน 0.3% เพื่อให้บรรลุการระบุและควบคุมปัญหาการเสียรูปในแบตเตอรี่สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานลิเธียมไอออนตั้งแต่เนิ่นๆ

ควรสังเกตว่าการป้องกันและควบคุมการเสียรูปของเปลือกลิเธียมไอออนสำหรับ BESS นั้นเป็นกระบวนการทางวิศวกรรมที่เป็นระบบ พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องในบทความจะต้องรวมกับอุปกรณ์การผลิต รุ่นผลิตภัณฑ์ และสถานการณ์การใช้งานเฉพาะ ตลอดจนปรับให้เหมาะสมและตรวจสอบผ่านการทดลอง DOE ก่อนนำไปใช้ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีสถานการณ์การใช้งานพิเศษ เช่นแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์การป้องกันและควบคุมเพิ่มเติมตามคุณลักษณะอุณหภูมิและความดันของสภาพแวดล้อมการใช้งาน เพื่อให้มั่นใจในความเสถียรเชิงโครงสร้างของผลิตภัณฑ์ตลอดวงจรชีวิตทั้งหมด นอกจากนี้ การป้องกันและควบคุมการเสียรูปของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้ยังต้องคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงทางอุณหพลศาสตร์ในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ และต้องได้รับการควบคุมคุณภาพตลอดทั้งกระบวนการ