Podkładki kompresyjne w celu poprawy wydajności baterii
Zgodnie z informacjami Nicka Flaherty’ego, badacze ze Saint-Gobain opracowali modele predykcyjne umożliwiające dokładne przewidywanie zachowania mechanicznego podkładek kompresyjnych w pakietach baterii.
Elektrody litowo-jonowe ulegają rozszerzaniu i kurczeniu podczas cykli ładowania i rozładowywania, a także nieodwracalnemu puchnięciu wskutek starzenia się. Podkładki kompresyjne są kluczowymi elementami zapewniającymi prawidłowe funkcjonowanie pakietów baterii przez cały okres ich użytkowania.
Główną funkcją podkładki kompresyjnej jest pełnienie roli elastycznego poduszki pomiędzy komórkami oraz zarządzanie fluktuacjami objętościowymi poprzez wywieranie stałego i optymalnego ciśnienia. Poprzez pochłanianie naprężeń powstających w wyniku rozszerzania się komórek oraz utrzymywanie integralności strukturalnej modułu, podkładki kompresyjne ograniczają mechanizmy degradacji, co maksymalizuje trwałość i bezpieczeństwo systemu baterii podczas tysięcy cykli.
Naukowcy opisali podstawowe właściwości mechaniczne podkładek elastomerycznych w różnych warunkach, takich jak różne prędkości kompresji i temperatury, które mają bezpośredni związek z rzeczywistymi zastosowaniami w bateriach. Długoterminową odporność mechaniczną podkładek mierzy się poprzez ocenę ich wydajności w tysiącach cykli ładowania–rozładowywania przy różnych temperaturach pracy, co potwierdza ich zdolność do utrzymywania stałego ciśnienia przez długi czas.
Wykorzystanie modelowania i symulacji umożliwia rozwijającym projektować rozwiązania w sposób wirtualny, przyspieszając tworzenie optymalnych podkładek kompresyjnych do zastosowań w pakietach baterii.
Dzięki temu, że podczas pracy pomagają utrzymać odpowiednią ilość ciśnienia na komórkach, podkładki kompresyjne zapewniają lepszą retencję pojemności i dłuższy czas pracy baterii. Pomagają one również zarządzać ruchem komórek, jednocześnie zmniejszając wibracje i zapewniając izolację elektryczną w module baterii.
Aby symulować warunki panujące w pakiecie baterii, przeprowadzane są testy zmęczeniowe cykliczne w szerokim zakresie temperatur, od temperatur poniżej zera aż do 60–70°C. Test kompresji cyklicznej z stałym naprężeniem obejmujący 3000 cykli symuluje również długoterminowe obciążenia materiału podczas pracy.
„Badania przeprowadzone w ciągu ostatniej dekady pokazały, że poziom ciśnienia wywieranego na komórkę bezpośrednio wpływa na jej żywotność oraz zachowanie pojemności. Istnieje optymalny zakres ciśnienia – na przykład zwykle około 20 do 40 kilopaskali dla komórek typu pouch – który maksymalizuje wydajność i trwałość. Jeśli ciśnienie jest zbyt wysokie lub zbyt niskie, bateria może szybciej ulegać degradacji lub nawet awarii przedwcześnie” – powiedział Weilin Deng, starszy inżynier badawczy w Saint-Gobain.
Modelowanie jest ważne, ponieważ nie istnieje jedno rozwiązanie, gdyż wymagania dotyczące baterii zmieniają się w zależności od chemii i projektu komórki. Na przykład komórki pryzmatyczne wymagają materiałów umiarkowanie sztywnych, podczas gdy komórki typu pouch zazwyczaj potrzebują miększych podkładek kompresyjnych, natomiast baterie typu solid-state wymagają bardzo sztywnych podkładek kompresyjnych.
Narzędzie cyfrowe umożliwia dostosowanie właściwości kompresji materiałów zgodnie z potrzebami. Na podstawie danych dotyczących odchylenia przy siłach kompresji ocenia się wydajność w różnych poziomach kompresji – takich jak 20%, 50% i 70% – aby sprostać konkretnym wymaganiom zastosowań, bez polegania wyłącznie na testach laboratoryjnych.
Narzędzie poleca odpowiednie materiały i optymalne grubości, pokazując przy tym odpowiadające im krzywe naprężenia–deformacji. Na przykład może zasugerować użycie materiału takiego jak PF150 o określonej grubości, aby spełnić ustalone wymagania dotyczące jakości.
Poza tym umożliwia projektowanie z wykorzystaniem kilku materiałów, łącząc różne pianki w celu oceny ich wspólnego zachowania pod wpływem kompresji.
Kliknij tutaj, aby przeczytać najnowszy numer czasopisma E-Mobility Engineering.