I pacchi batteria di potenza e di accumulo di energia sono assemblati mediante collegamento in serie e in parallelo di celle, tuttavia le celle non sono in contatto diretto tra loro. Le celle agli ioni di litio- subiscono un'espansione di volume durante la carica e la scarica, pertanto è necessario disporre materiali tampone tra le celle per assorbire lo stress meccanico. Attualmente, i materiali in schiuma sono ampiamente adottati per soddisfare sia i requisiti di tamponamento dinamico che quelli di supporto statico.
01 Fenomeno di rigonfiamento dei moduli delle batterie agli ioni di litio-
Le batterie agli ioni di litio- sono chiamate in modo vivido "batterie della sedia a dondolo": spinti dalla differenza di potenziale, gli ioni di litio si spostano avanti e indietro tra i catodi e gli anodi per immagazzinare e rilasciare energia elettrica.
Tuttavia, l'intercalazione e la deintercalazione del Li⁺ all'interno e all'esterno dei materiali attivi del catodo e dell'anodo causano l'espansione del volume delle sostanze attive. Tale gonfiore rientra in due categorie: gonfiore reversibile e gonfiore irreversibile. Il rigonfiamento irreversibile si accumula continuamente man mano che aumentano i cicli di carica-scarica.
Ci sono tre cause principali del rigonfiamento cellulare: rigonfiamento elettrochimico, rigonfiamento della generazione di gas ed effetti della temperatura.
I pannelli epossidici vengono comunemente utilizzati come materiali tampone tra le batterie al piombo-acido per i veicoli elettrici a due-ruote. Tuttavia, i pannelli epossidici presentano un'elevata fragilità e una resilienza pari a zero, non riuscendo ad assorbire la forza di espansione cellulare. Pertanto, non sono adatti come materiali tampone per le batterie agli ioni di litio-malgrado il loro costo ultra-basso.
Le batterie agli ioni di litio-con-anodo di silicio forniscono una densità energetica drasticamente più elevata rispetto alle controparti con-anodi di carbonio, rappresentando un approccio efficace per aumentare ulteriormente la densità energetica della batteria. Tuttavia, il loro tasso di rigonfiamento eccessivo (lo spessore aumenta del 15%-30% dopo 100 cicli) ostacola da tempo l'applicazione commerciale su larga-scala.
02 Principali tipi di materiali tampone
Il rigonfiamento delle celle è una caratteristica intrinseca per l'intera durata di servizio delle batterie. Attenuare gli impatti negativi causati dal rigonfiamento diventa fondamentale per prolungare la durata del ciclo della batteria.
L'incapacità di tamponare adeguatamente il rigonfiamento irreversibile delle cellule accelererà ulteriormente il degrado della capacità.
Quattro regole fondamentali che regolano il rigonfiamento delle celle agli ioni di litio-:
Distribuzione spaziale: la forza di espansione nella zona centrale è maggiore di quella ai bordi.
Correlazione della capacità: una maggiore capacità delle celle corrisponde a un tasso di rigonfiamento più elevato (le celle di accumulo energetico presentano generalmente grandi capacità).
Chimica cellulare: le cellule ternarie si gonfiano più gravemente delle cellule LFP. Le cellule NCM811 raggiungono un tasso di rigonfiamento del 6%–8%, mentre le cellule LFP raggiungono solo il 3%–5%. In generale, le cellule con densità energetica più elevata mostrano tassi di rigonfiamento più elevati.
Conteggio dei cicli: il rigonfiamento irreversibile si accumula con l'aumento dei cicli di carica-scarica, portando a una maggiore espansione cellulare complessiva.
I materiali tampone sono quindi componenti indispensabili per i moduli, poiché svolgono tre funzioni fondamentali: distribuzione della pressione, compensazione dello spostamento, isolamento termico e proprietà ignifughe.
(1) Schiuma siliconica
La resina siliconica base ha una densità di 1,17 g/cm³; dopo la schiumatura la densità scende a 0,16–0,20 g/cm³. Raggiunge un ritardo di fiamma verticale UL94-V0 e un basso compression set. La schiuma di silicone è consigliata per moduli di accumulo di energia ad alta capacità con forte forza di espansione.
(2) Schiuma EVA
La schiuma EVA è ampiamente presente nei prodotti di uso quotidiano come le suole delle pantofole. Gli utenti potrebbero notare il suo evidente svantaggio: la parte del tallone subisce un appiattimento permanente dopo un uso prolungato-a termine, indicando un set di compressione elevato dell'EVA. La schiuma EVA è a basso-costo e viene applicata principalmente tra moduli a celle prismatiche.
(3) Schiuma CR
La schiuma CR, nome completo schiuma di gomma cloroprene, è conforme alla certificazione ignifuga UL94 V-0 e agli standard ambientali RoHS. Caratteristiche: bassa densità, leggerezza, bassa durezza, elevata comprimibilità, eccellente isolamento termico e ritardante di fiamma, resilienza superiore e lunga durata.
(4) Schiuma PU
PU si riferisce a copolimeri composti da innumerevoli micro-pori e strutture in resina poliuretanica, tra cui poliurea e poliuretano modificato. Il PU offre una resilienza alla compressione leggermente inferiore e viene utilizzato principalmente tra i moduli delle celle a sacca. Caratteristiche: struttura porosa, bassa densità, elevata resistenza specifica, discreto rimbalzo e permeabilità all'aria, bassa perdita di isteresi, elevato rapporto di carico di compressione, buona resistenza alla fiamma ed eccezionale resistenza all'invecchiamento termico, all'invecchiamento dovuto all'umidità e alla fatica dinamica.
(5) Schiuma MPP
L'MPP è un materiale poroso in polipropilene espanso (PP) prodotto tramite la tecnologia pulita del biossido di carbonio supercritico per generare numerose bolle di dimensioni micron- all'interno del substrato. L'MPP soddisfa gli standard RoHS e REACH ed è ampiamente applicato nel nuovo settore energetico. Caratteristiche: leggero, ad alta resistenza, efficiente assorbimento dell'energia d'impatto, eccellente ritardo di fiamma e resistenza al calore.
(6) Aerogel
I materiali di cui sopra sono substrati elastici progettati principalmente per assorbire la forza di espansione cellulare. L'aerogel è un altro materiale intercellulare ampiamente adottato-incentrato sull'isolamento termico e sul ritardo di fiamma; possiede anche una discreta comprimibilità per fornire prestazioni di buffering moderate. Ad esempio, sotto un carico di circa 200 kgf su un modulo 1P13S, un foglio di aerogel spesso 2,0 mm si comprime fino a circa 1,5 mm.
I fogli isolanti termici in aerogel sono materiali compositi costituiti da aerogel di silice e substrati in fibra ceramica. Sono caratterizzati da bassa densità, elevata porosità, resistenza alle alte temperature e bassa conduttività termica, che bloccano efficacemente la propagazione del calore tra le celle durante la fuga termica.
