Verformungsmechanismus und Präventionsstrategien der Aluminiumhülle von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-{0}}Ionenbatterien mit ihren Vorteilen einer regelmäßigen Struktur und hohen Energiedichte werden häufig in Bereichen wie Fahrzeugen mit neuer Energie eingesetzt. Aufgrund ihrer anisotropen Struktureigenschaften sind sie jedoch anfällig für Verformungsprobleme wie konkave und konvexe Zellen aufgrund ungleichmäßiger Kräfte in Längs- und Breitenrichtung während der Produktion, was wiederum Auswirkungen auf die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie hat. Das Auftreten von Verformungsproblemen steht in engem Zusammenhang mit mehreren Aspekten wie Materialeigenschaften, Herstellungsprozessen und interner Umgebungskontrolle von Power Battery Cell. Es ist notwendig, die Ursachen mehrdimensional zu analysieren und gezielte Maßnahmen umzusetzen. Dieser Artikel bietet eine ausführliche Analyse der Hauptursachen für Verformungen in Lifepo4-Energiezellen sowie Systempräventions- und Kontrollmaßnahmen und bietet technische Referenzen für die Produktionspraxis in der Industrie.

Im Produktionssystem für Lithium-Ionen-Batterien steht die Stabilität der Hüllenstruktur der Lithium-Ionen-Batterien in direktem Zusammenhang mit der Produktzuverlässigkeit, und das Auftreten von Verformungsproblemen ist oft das Ergebnis der synergistischen Wirkung mehrerer Faktoren, wie etwa Materialeigenschaften, Prozesskontrolle und interner thermodynamischer Zustand. Aus Sicht der Material- und Strukturabmessungen sind die Auswahl des Aluminiumschalenmaterials und die Festigkeitskonstruktion die grundlegenden Faktoren. Wenn Materialien mit unzureichender Zugfestigkeit, wie z. B. Aluminiumlegierung 3003, verwendet werden oder die Schalendicke weniger als 0,6 mm beträgt, neigen sie unter Innendruck und thermischer Belastung zu Verformungen. Dabei dürfen die strukturellen Besonderheiten des Schweißbereichs nicht außer Acht gelassen werden. Die während des Schweißprozesses gebildete Wärmeeinflusszone erfährt aufgrund der Gitterreorganisation einen 20–30 %igen Rückgang der lokalen Festigkeit und wird zu einem Spannungskonzentrationsbereich, der bei nachfolgender Belastung zu Verformungen neigt.

Die Rationalität des Schweißprozesses hat einen entscheidenden Einfluss auf die strukturelle Stabilität der Hülle der Lithium-Ionen-Batterie für ein Sonnensystem, und Prozessfehler sind ein wichtiger Faktor bei der Entstehung von Verformungen. Beim Laserschweißen als Mainstream-Prozess kommt es bei außer Kontrolle geratener Wärmezufuhrkontrolle, beispielsweise bei einer Leistung von über 300 W oder einer Schweißgeschwindigkeit unter 30 mm/s, zu lokalen Temperaturen, die weit über dem Schmelzpunkt von Aluminium bei 660 Grad liegen, und das Schmelzbad ist zu tief, was zu einem starken Anstieg der Schrumpfungsspannung beim Abkühlen führt. Eine unsachgemäße Gestaltung der Schweißnaht, beispielsweise das Fehlen von Spannungsentlastungskerben beim kontinuierlichen Ringschweißen und eine Schweißnahtbreite von weniger als 0,8 mm, kann die Tragfähigkeit der Schweißnaht verringern und das Risiko einer Verformung weiter erhöhen.

Der abnormale Innendruck der Batterie ist die zentrale thermodynamische Ursache für Verformungen, die auch in gängigen Systemen wie LiFePO4-Lithium-Ionen-Batterien vorhanden sind. Nebenreaktionen wie Elektrolytzersetzung und ungewöhnliche Schäden am SEI-Film im Inneren der Batteriezelle beschleunigen die Gasproduktion, wenn die Temperatur 45 Grad übersteigt, und wenn der Innendruck 10 kPa übersteigt, wird die Hülle verformt; Gleichzeitig kann die Expansionsrate der negativen Elektrode im voll aufgeladenen Zustand 20–30 % erreichen. Wenn der Spalt zwischen dem Kern und der Innenwand der Hülle 1,0 mm überschreitet (der branchenübliche Spalt beträgt 0,3–0,8 mm), kann die Expansionskraft durch die Hülle nicht effektiv eingedämmt werden und führt zu einem höheren Freiheitsgrad in vertikaler Richtung, was zu einer Verformung der Deckplatte oder Seitenwand führt. Wenn bei der Herstellung von Lithiumbatterien für Solarenergiespeichersysteme außerdem der Spalt zwischen dem Kern und der Innenwand der Hülle den Standard überschreitet, füllt die negative Elektrode beim Ausdehnen zunächst die umgebenden Lücken aus, wodurch der vertikale Verformungseffekt weiter verstärkt wird.

Auch Abweichungen der Prozesssteuerung während des Produktionsprozesses können zu Verformungsproblemen führen oder diese verstärken. Wenn der Spalt zwischen der Abdeckplatte und der Schale während des Montagevorgangs 0,2 mm überschreitet, überlagert sich die thermische Spannung beim Schweißen mit dem Spaltverdrängungseffekt, was direkt zu einer Verformung führt; Wenn der Vakuumgrad während der Versiegelungsphase zu niedrig eingestellt ist (unter -90 kPa), wirkt der äußere Atmosphärendruck direkt auf die schwachen Teile der Hülle und führt zu einer passiven Kompressionsverformung.

Basierend auf dem oben genannten Verformungsmechanismus und der technischen Praxis der Industrie kann ein Präventions- und Kontrollsystem aus Dimensionen wie Materialoptimierung, Prozessverbesserung, Innendruckkontrolle und Prozessverstärkung aufgebaut werden. Im Hinblick auf Material- und Strukturoptimierung besteht die Kernidee darin, die Belastbarkeit des Gehäuses zu verbessern. Dies kann durch die Verwendung einer 5052-Aluminiumlegierung mit einer um 30 % höheren Zugfestigkeit, dem Hinzufügen von 0,5-1,0 mm hohen Verstärkungsrippen im oberen Abdeckungsbereich und einer Erhöhung der Gehäusedicke der Lithium-Ionen-Batterien des Solar Home System auf 0,8–1,0 mm erreicht werden. Gleichzeitig wird eine Verbundschweißstruktur eingesetzt, die Laserschweißen und Ultraschallschweißen kombiniert, um den Wärmeeintrag an einzelnen Punkten zu reduzieren und die Stabilität des Schweißbereichs zu verbessern.

Bei der Verbesserung des Schweißprozesses muss der Schwerpunkt auf der Feinsteuerung liegen, wobei die Gradientenleistungsschweißstrategie verwendet wird, d. h. eine Parameterkombination von 200 W/30 mm/s für den Anfangsabschnitt, 250 W/25 mm/s für den Mittelabschnitt und 180 W für den Endabschnitt, um die Tiefe der Wärmeeinflusszone innerhalb von 0,5 mm zu steuern; Optimieren Sie gleichzeitig das Schweißnahtdesign, indem Sie die kontinuierliche Schweißnaht in einen segmentierten Schweißmodus umwandeln, wobei jedes Segment 5–8 mm groß ist und eine 2 mm große Spannungsabbauzone reserviert ist. Erhöhen Sie gleichzeitig die Schweißnahtbreite auf 1,2 mm, um die Tragfähigkeit der Schweißnaht zu erhöhen.

Die interne Druckkontrolle muss von zwei Aspekten ausgehen: Expansionskompensation und Unterdrückung der Gasproduktion. Hinsichtlich des strukturellen Designs kann eine elastische Pufferschicht mit einer Kompressionsrate von mehr als 50 % auf der Innenseite der Abdeckplatte von Lithium-Solarbatterien installiert werden, sodass 0,5-1,0 mm Expansionsraum verbleibt, um die durch die Expansion der negativen Elektrode verursachten Druckauswirkungen zu mildern; Im Hinblick auf die Optimierung des chemischen Systems kann die Zugabe von 1-2 % filmbildenden FEC-Additiven im Injektionsprozess abnormale Schäden am SEI-Film wirksam unterdrücken, die Gasproduktion unter voller Ladung auf 0,5 ml/Ah kontrollieren (in Echtzeit durch Gaschromatographietests überwacht) und den internen Druckaufbau von der Quelle reduzieren.

Die Stärkung der Prozesskontrolle erfordert den Einsatz intelligenter Technologie und die Einführung eines visuellen Positionierungssystems im Montageprozess, um die Positionierungsgenauigkeit innerhalb von ± 0,05 mm zu kontrollieren. Gleichzeitig gewährleistet die Aufrüstung der Schweißvorrichtung auf einen Konstantkraft-Spannmodus eine Spannkraft von 20-30 N mit Schwankungen von nicht mehr als 5 %, wodurch das Verformungsrisiko durch Montageabweichungen verringert wird. Fügen Sie in der chemischen Trennstufe eine Druckprüfstation hinzu, die automatisch einen Alarm auslöst, wenn der erkannte Druck 5 kPa überschreitet. Gleichzeitig wird in Kombination mit der Röntgenerkennung der Schalenverformungsrate der Schwellenwert auf 0,3 % kontrolliert, um eine frühzeitige Erkennung und Kontrolle von Verformungsproblemen in der Batterie für Lithium-Ionen-Energiespeichersysteme zu erreichen.

Es ist zu beachten, dass die Verhinderung und Kontrolle der Verformung der Lithium-Ionen-Hülle für BESS ein systematischer technischer Prozess ist. Die im Artikel enthaltenen technischen Parameter müssen mit spezifischen Produktionsanlagen, Produktmodellen und Anwendungsszenarien kombiniert und vor der Implementierung durch DOE-Experimente optimiert und verifiziert werden. Für Produkte mit speziellen Anwendungsszenarien, wie zLithium-Ionenbatterienist es notwendig, die Präventions- und Kontrollparameter basierend auf den Temperatur- und Druckeigenschaften der Anwendungsumgebung weiter anzupassen, um die strukturelle Stabilität des Produkts während seines gesamten Lebenszyklus sicherzustellen. Darüber hinaus muss die Verformungsverhinderung und -kontrolle von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriezellen auch die thermodynamischen Veränderungen während der Lade- und Entladezyklen berücksichtigen und eine Qualitätskontrolle während des gesamten Prozesses gewährleisten.