Paketi baterija za pohranu energije i energije sastavljeni su serijskim i paralelnim povezivanjem ćelija, ali ćelije nisu u direktnom kontaktu jedna s drugom. Litijum{1}}-jonske ćelije prolaze kroz proširenje zapremine tokom punjenja i pražnjenja, tako da se puferski materijali moraju rasporediti između ćelija da apsorbuju mehanički stres. Trenutno su pjenasti materijali široko prihvaćeni kako bi zadovoljili zahtjeve dinamičkog puferiranja i statičke podrške.
01 Fenomen bubrenja litijum{1}}onskih baterijskih modula
Litijum{0}}jonske baterije živopisno su nazvane "baterije u stolicama za ljuljanje": pokretane razlikom potencijala, litijum joni se kreću naprijed-nazad između katoda i anoda kako bi pohranili i oslobodili električnu energiju.
Ipak, interkalacija i deinterkalacija Li⁺ u i iz aktivnih materijala katode i anode uzrokuje proširenje volumena aktivnih tvari. Takvo oticanje spada u dvije kategorije: reverzibilno oticanje i ireverzibilno oticanje. Nepovratno oticanje se kontinuirano akumulira kako se ciklusi punjenja{2}}pražnjenja povećavaju.
Postoje tri osnovna uzroka oticanja ćelija: elektrohemijsko oticanje, oticanje stvaranja gasa i temperaturni efekti.
Epoksidne ploče se obično koriste kao tamponski materijali između olovnih{0}}kiselinskih baterija za električna vozila sa dva-točka. Međutim, epoksidne ploče imaju visoku lomljivost i nultu otpornost, ne mogu apsorbirati silu širenja ćelija. Stoga su neprikladni kao pufer materijali za litijum{4}}jonske baterije uprkos njihovoj ultra-niskoj cijeni.
Silicijumske{0}}anodne litijum-ionske baterije daju drastično veću gustinu energije u poređenju sa karbonskim-anodnim pandanima, što predstavlja efikasan pristup daljem povećanju gustine energije baterije. Ipak, njihova prekomjerna stopa bubrenja (debljina raste za 15%-30% nakon 100 ciklusa) dugo je ometala široku{7}}komercijalnu primjenu.
02 Glavne vrste puferskih materijala
Oticanje ćelija je svojstvena karakteristika tokom celog radnog veka baterija. Ublažavanje štetnih uticaja izazvanih oticanjem postaje kritično za produženje životnog ciklusa baterije.
Neuspjeh da se adekvatno puferuje nepovratno oticanje ćelija dodatno će ubrzati degradaciju kapaciteta.
Četiri osnovna pravila koja regulišu oticanje litijum{0}}ionskih ćelija:
Prostorna distribucija: Sila ekspanzije u centralnoj zoni je veća od one na rubovima.
Korelacija kapaciteta: Veći kapacitet ćelije odgovara većoj brzini bubrenja (ćelije za skladištenje energije generalno imaju velike kapacitete).
Hemija ćelije: Ternarne ćelije nabubre jače od LFP ćelija. NCM811 ćelije postižu stopu bubrenja od 6%-8%, dok LFP ćelije dostižu samo 3%-5%. Generalno, ćelije sa većom gustinom energije pokazuju veće stope bubrenja.
Broj ciklusa: nepovratno oticanje se akumulira sa povećanjem ciklusa punjenja{0}}pražnjenja, što dovodi do veće ukupne ekspanzije ćelije.
Puferski materijali su stoga nezamjenjive komponente za module, služeći tri osnovne funkcije: raspodjela tlaka, kompenzacija pomaka, toplinska izolacija i otpornost na plamen.
(1) Silikonska pjena
Osnovna silikonska smola ima gustinu od 1,17 g/cm³; nakon pjenenja, gustina pada na 0,16–0,20 g/cm³. Postiže UL94-V0 vertikalnu otpornost na plamen i nisku kompresiju. Silikonska pjena se preporučuje za module za pohranu energije velikog kapaciteta sa jakom ekspanzijskom silom.
(2) EVA pjena
EVA pjena je široko zastupljena u svakodnevnim proizvodima kao što su potplati papuča. Korisnici mogu primijetiti njegov očigledan nedostatak: dio pete se trajno spljošti nakon-dugotrajne upotrebe, što ukazuje na visoku kompresiju EVA. EVA pjena je jeftina-i uglavnom se primjenjuje između prizmatičnih modula ćelija.
(3) CR pjena
CR pjena, puni naziv Chloroprene Rubber Foam, usklađena je sa UL94 V-0 certifikatom o otpornosti na plamen i RoHS standardima zaštite okoliša. Karakteristike: mala gustina, lagana, mala tvrdoća, visoka kompresibilnost, odlična toplotna izolacija i otpornost na plamen, vrhunska otpornost i dug radni vek.
(4) PU pjena
PU se odnosi na kopolimere sastavljene od bezbroj mikro-pora i okvira od poliuretanske smole, uključujući poliureu i modificirani poliuretan. PU daje nešto lošiju otpornost na kompresiju i uglavnom se koristi između modula vrećica. Karakteristike: porozna struktura, niska gustina, visoka specifična čvrstoća, pristojan odboj i propusnost vazduha, nizak gubitak histereze, visok kompresijsko opterećenje, dobra otpornost na plamen i izuzetna otpornost na termičko starenje, starenje od vlage i dinamički zamor.
(5) MPP pjena
MPP je porozni pjenasti polipropilenski (PP) materijal proizveden pomoću čiste superkritične tehnologije ugljičnog dioksida za stvaranje brojnih mjehurića veličine mikrona - unutar podloge. MPP ispunjava RoHS i REACH standarde i široko se primjenjuje u novoj energetskoj industriji. Karakteristike: lagana, visoka čvrstoća, efikasna apsorpcija energije udara, odlična otpornost na plamen i otpornost na toplinu.
(6) Aerogel
Gore navedeni materijali su elastične podloge prvenstveno dizajnirane da apsorbuju silu širenja ćelija. Aerogel je još jedan široko prihvaćen među{1}}ćelijski materijal fokusiran na toplotnu izolaciju i otpornost na vatru; takođe poseduje pristojnu kompresibilnost da obezbedi umerene performanse baferovanja. Na primjer, pod opterećenjem od približno 200 kgf na modulu 1P13S, list aerogela debljine 2,0 mm sabija se na otprilike 1,5 mm.
Aerogel termoizolacione ploče su kompozitni materijali napravljeni od silika aerogela i podloge od keramičkih vlakana. Imaju nisku gustinu, visoku poroznost, otpornost na visoke temperature i nisku toplotnu provodljivost, koji efikasno blokiraju širenje toplote između ćelija tokom termičkog odlaska.
