חבילות סוללות לאחסון כוח ואנרגיה מורכבות על ידי חיבור סדרתי ומקביל של תאים, אך התאים אינם במגע ישיר אחד עם השני. תאי ליתיום- עוברים הרחבת נפח במהלך טעינה ופריקה, ולכן יש לארגן חומרי חיץ בין התאים כדי לספוג לחץ מכני. נכון לעכשיו, חומרי קצף מאומצים באופן נרחב כדי לספק גם חציצה דינמית וגם דרישות תמיכה סטטיות.
01 תופעת התנפחות של מודולי סוללת ליתיום-
סוללות ליתיום- נקראות בכינוי "סוללות כיסא נדנדה": מונעות על ידי הבדל פוטנציאל, יוני ליתיום עוברים הלוך ושוב בין הקתודות והאנודות כדי לאגור ולשחרר אנרגיה חשמלית.
עם זאת, האינטרקלציה והאינטרקלציה של Li⁺ לתוך וחומרים פעילים לקתודה ואנודה גורמים להרחבת נפח של חומרים פעילים. נפיחות כזו מתחלקת לשתי קטגוריות: נפיחות הפיכה ונפיחות בלתי הפיכה. נפיחות בלתי הפיכה מצטברת ברציפות ככל שמחזורי הטעינה-גדלים.
ישנן שלוש סיבות שורש לנפיחות בתאים: נפיחות אלקטרוכימית, נפיחות של יצירת גזים והשפעות טמפרטורה.
לוחות אפוקסי משמשים בדרך כלל כחומרי חיץ בין סוללות-עופרת לחומצה עבור כלי רכב חשמליים דו-גלגליים. עם זאת, לוחות אפוקסי מתאפיינים בשבירות גבוהה ועמידות אפסית, ואינם מצליחים לספוג כוח התפשטות התא. לכן, הם אינם מתאימים כחומרי חיץ עבור ערכות סוללות ליתיום-למרות העלות הנמוכה במיוחד-.
סוללות ליתיום-סיליקון-מספקות צפיפות אנרגיה גבוהה יותר באופן דרסטי בהשוואה לאנודות פחמן-, המייצגות גישה יעילה להגברת צפיפות האנרגיה של הסוללה. עם זאת, שיעור הנפיחות המוגזם שלהם (עובי עולה ב-15%-30% לאחר 100 מחזורים) הפריע זה מכבר ליישום מסחרי-בקנה מידה גדול.
02 סוגים עיקריים של חומרי חוצץ
התנפחות התא היא מאפיין מובנה לאורך חיי השירות המלאים של הסוללות. הפחתת ההשפעות השליליות הנגרמות כתוצאה מנפיחות הופכת קריטית להארכת חיי הסוללה.
אי חיסום נאות של התנפחות התאים הבלתי הפיכה תאיץ עוד יותר את הפחתת הקיבולת.
ארבעה כללי ליבה המסדירים התנפחות תאי יון-ליתיום:
התפלגות מרחבית: כוח ההתפשטות באזור המרכזי גדול מזה שבקצוות.
מתאם קיבולת: קיבולת תאים גדולה יותר מתאימה לקצב התנפחות גבוה יותר (תאי אחסון אנרגיה כוללים בדרך כלל קיבולות גדולות).
כימיה של תאים: תאים טרנריים מתנפחים בצורה חמורה יותר מתאי LFP. תאי NCM811 משיגים שיעור נפיחות של 6%-8%, בעוד שתאי LFP מגיעים רק ל-3%-5%. באופן כללי, תאים עם צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מציגים שיעורי נפיחות גבוהים יותר.
ספירת מחזורים: נפיחות בלתי הפיכה מצטברת עם מחזורי טעינה-גדלים, מה שמוביל להתרחבות כללית גדולה יותר של התא.
חומרי חוצץ הם אפוא רכיבים הכרחיים עבור מודולים, המשרתים שלוש פונקציות ליבה: חלוקת לחץ, פיצוי תזוזה, בידוד תרמי ועיכוב בעירה.
(1) קצף סיליקון
לשרף הסיליקון הבסיסי יש צפיפות של 1.17 גרם/ס"מ³; לאחר ההקצפה, הצפיפות יורדת ל-0.16-0.20 גרם/ס"מ³. הוא משיג UL94-V0 עיכוב בעירה אנכי וערכת דחיסה נמוכה. קצף סיליקון מומלץ עבור מודולי אחסון אנרגיה בעלי קיבולת גבוהה עם כוח התפשטות חזק.
(2) קצף EVA
קצף EVA נראה באופן נרחב במוצרים יומיומיים כגון סוליות נעלי בית. המשתמשים עשויים לשים לב לחסרון הברור שלו: חלק העקב עובר השטחה קבועה לאחר שימוש-לטווח ארוך, מה שמצביע על סט דחיסה גבוה של EVA. קצף EVA הוא בעלות-נמוכה ומיושם בעיקר בין מודולי תאים מנסרים.
(3) קצף CR
קצף CR, השם המלא Chloroprene Rubber Foam, תואם לאישור מעכב בעירה UL94 V-0 ולתקני הסביבה RoHS. מאפיינים: צפיפות נמוכה, קל משקל, קשיות נמוכה, דחיסה גבוהה, בידוד תרמי מעולה ועיכוב בעירה, גמישות מעולה וחיי שירות ארוכים.
(4) קצף PU
PU מתייחס לקופולימרים המורכבים מאינספור נקבוביות מיקרו- וממסגרות שרף פוליאוריטן, כולל פוליאוריאה ופוליאוריתן שונה. PU מספק גמישות דחיסה מעט נחותה ומשמש בעיקר בין מודולי תאי פאוץ'. מאפיינים: מבנה נקבובי, צפיפות נמוכה, חוזק ספציפי גבוה, ריבאונד וחדירות אוויר הגונים, אובדן היסטרזיס נמוך, יחס עומס דחיסה גבוה, עמידות בפני להבות טובה ועמידות יוצאת דופן בפני הזדקנות תרמית, הזדקנות לחות ועייפות דינמית.
(5) MPP Foam
MPP הוא חומר פוליפרופילן מוקצף נקבובי (PP) המיוצר באמצעות טכנולוגיית פחמן דו חמצני סופר קריטי נקי ליצירת בועות רבות בגודל מיקרון- בתוך המצע. MPP עומד בתקני RoHS ו-REACH ומיושם באופן נרחב בתעשיית האנרגיה החדשה. מאפיינים: קל משקל, חוזק גבוה, ספיגת אנרגיית השפעה יעילה, עיכוב בעירה מעולה ועמידות בחום.
(6) איירגל
החומרים הנ"ל הם מצעים אלסטיים שנועדו בעיקר לספוג כוח התפשטות התא. Aerogel הוא עוד חומר בין-תא מאומץ נרחב המתמקד בבידוד תרמי ועיכוב בעירה; יש לו גם יכולת דחיסה הגונה כדי לספק ביצועי חציצה מתונים. לדוגמה, תחת עומס של כ-200 ק"ג על מודול 1P13S, יריעת איירגל בעובי 2.0 מ"מ נדחסת עד ל-1.5 מ"מ בערך.
יריעות בידוד תרמי Aerogel הם חומרים מרוכבים העשויים מצעי סיליקה איירגל וסיבים קרמיים. הם כוללים צפיפות נמוכה, נקבוביות גבוהה, עמידות בטמפרטורה גבוהה ומוליכות תרמית נמוכה, אשר חוסמים למעשה את התפשטות החום בין התאים במהלך בריחת תרמית.
