リチウム-イオン電池のアルミニウムシェルの変形メカニズムと変形防止策

リチウム-イオン電池は、規則的な構造と高いエネルギー密度という利点を備え、新エネルギー自動車などの分野で広く使用されています。しかし、その異方性構造特性により、製造時に長さ方向と幅方向に不均一な力がかかることでセルの凹凸などの変形の問題が発生しやすくなり、電池の安全性と耐用年数に影響を及ぼします。変形問題の発生は、動力電池セルの材料特性、製造プロセス、内部環境制御などの複数の側面と密接に関係しています。原因を多角的に分析し、的を絞った政策を実行する必要がある。この記事では、Lifepo4 パワーセルの変形の中心的な原因とシステムの予防および制御手段についての詳細な分析を提供し、業界の生産実務に技術的な参考資料を提供します。-

リチウムイオン電池の生産システムでは、リチウム-電池のシェル構造の安定性が製品の信頼性に直接関係しており、変形の問題の発生は、多くの場合、材料特性、プロセス制御、内部熱力学的状態などの複数の要因の相乗効果の結果です。材質と構造寸法の観点から、アルミニウムシェルの材質の選択と強度設計が基本的な要素となります。 3003アルミニウム合金などの引張強さが不十分な材質を使用した場合、またはシェルの厚さが0.6mm未満の場合、内圧や熱応力により降伏変形が発生しやすくなります。同時に、溶接領域の構造的特徴も無視できません。溶接プロセス中に形成される熱影響部-は、格子の再組織化により局所強度が 20 ～ 30% 低下し、その後応力を受けると変形しやすい応力集中領域になります。

溶接プロセスの合理性は、太陽系用リチウムイオン電池のシェルの構造安定性に決定的な影響を及ぼし、プロセス欠陥は変形を引き起こす重要な要因となります。主流のレーザー溶接では、300Wを超える電力や30mm/s以下の溶接速度など、入熱制御が制御不能な場合、局所的な温度がアルミニウムの融点660度をはるかに超え、溶融池が深すぎるため、冷却収縮応力が急激に増加します。連続リング溶接に応力除去ノッチが存在しない、溶接ビード幅が 0.8 mm 未満であるなど、溶接ビードの設計が不適切であると、溶接部の耐荷重能力が低下し、変形の危険性がさらに悪化する可能性があります。-

バッテリーの異常な内圧は変形の中心となる熱力学的原因であり、LiFePO4 リチウムイオンバッテリーなどの主流のシステムにも存在します。バッテリーセル内の電解液の分解やSEIフィルムの異常な損傷などの副反応は、温度が45度を超えるとガスの発生を促進し、内圧が10kPaを超えるとシェルを押して変形させます。同時に、負極の膨張率は完全充電状態で20〜30％に達することがあります。コアとシェルの内壁の間の隙間が 1.0 mm (業界標準の隙間は 0.3 ～ 0.8 mm) を超えると、拡張力がシェルによって効果的に拘束されなくなり、垂直方向の自由度が高くなる方向に向き、カバー プレートや側壁の変形が発生します。さらに、太陽エネルギー貯蔵システム用リチウム電池パックの製造において、コアとシェルの内壁の間の隙間が基準を超えると、負極が膨張する際に周囲の隙間を最初に埋め、垂直方向の変形効果がさらに増幅されます。

生産プロセス中のプロセス制御の逸脱も、変形の問題を誘発または悪化させる可能性があります。組立工程中にカバープレートとシェル間の隙間が0.2mmを超えると、溶接時の熱応力と隙間変位の影響が重なり、変形に直結します。封止時の真空度が低すぎる（-90kPa以下）と、外部の大気圧がシェルの弱い部分に直接作用し、受動的な圧縮変形が発生します。

上記の変形メカニズムと業界の技術慣行に基づいて、材料の最適化、プロセスの改善、内圧制御、プロセスの強化などの側面から防止および制御システムを構築できます。材料と構造の最適化の観点から、核となるアイデアはシェルの耐荷重能力を向上させることです。これは、引張強度が 30% 向上した 5052 アルミニウム合金を使用し、トップ カバー領域に高さ 0.5{7}}1.0 mm の補強リブを追加し、ソーラー ホーム システム リチウム イオン電池のシェルの厚さを 0.8 ～ 1.0 mm に増やすことで実現できます。同時にレーザー溶接と超音波溶接を組み合わせた複合溶接構造を採用し、一点入熱を低減し溶接部の安定性を向上させました。

溶接プロセスの改善では、傾斜電力溶接戦略、つまり開始セクションで 200W/30mm/s、中間セクションで 250W/25mm/s、終了セクションで 180W のパラメータの組み合わせを使用して、熱影響部の深さを 0.5mm 以内に制御する微細な制御に焦点を当てる必要があります。同時に、連続溶接ビードをセグメント溶接モードに変更し、各セグメントが 5 ～ 8 mm で応力解放ゾーンが 2 mm 確保されるようにして、溶接ビードの設計を最適化します。同時に溶接ビード幅を1.2mmに拡大し、溶接支持力を向上させます。

内圧制御は膨張補償とガス発生抑制の2つの側面から始める必要があります。構造設計の面では、圧縮率が50%を超える弾性緩衝層をリチウム太陽電池のカバープレートの内側に取​​り付けることができ、0.5-1.0mmの膨張スペースを残し、負極の膨張による圧力の影響を緩和します。化学システムの最適化の観点からは、射出プロセスに 1-2% FEC 膜形成添加剤を添加すると、SEI 膜への異常な損傷を効果的に抑制し、フル充電時のガス生成を 0.5ml/Ah 以内に制御し (ガスクロマトグラフィー試験によりリアルタイムで監視)、ソースからの内部圧力蓄積を低減できます。

工程管理の強化にはインテリジェント技術の活用が必要であり、組立工程に視覚位置決めシステムを導入して位置決め精度を±0.05mm以内に制御する。同時に、溶接治具を定力クランプモードにアップグレードすると、変動が 5% を超えない 20-30N のクランプ力が保証され、組み立てのずれによる変形のリスクが軽減されます。化学分離ステージに圧力試験ステーションを追加すると、検出された圧力が 5kPa を超えると自動的に警報が発せられます。同時に、シェル変形率のX線検出と組み合わせて、閾値を0.3%以内に制御して、リチウムイオンエネルギー貯蔵システム用バッテリーの変形問題の早期特定と制御を実現します。

BESSのリチウムイオンシェルの変形防止と制御は体系的なエンジニアリングプロセスであることに注意してください。記事に含まれる技術パラメータは、特定の生産設備、製品モデル、アプリケーション シナリオと組み合わせて、実装前に DOE 実験を通じて最適化および検証する必要があります。次のような特殊なアプリケーション シナリオを持つ製品の場合リチウム-イオン電池、ライフサイクル全体を通じて製品の構造的安定性を確保するには、使用環境の温度と圧力の特性に基づいて予防および制御パラメーターをさらに調整する必要があります。また、リチウムイオン二次電池セルの変形防止・制御には、充放電サイクル中の熱力学的変化も考慮し、全工程にわたる品質管理を行う必要があります。