ההשפעה של חומר אלסטיאליות על הביצועים של רכב חשמלי Batteries

הביצועים והארוכותיות של כלי רכב חשמליים (EV) הם גורמים קריטיים באימוץ תחבורה נקייה.בין הנכסים החומריים הרבים השולטים בהתנהגות סוללות - כגון מוליכות אקולוגית, יציבות אלקטרוכימית, ו מוליכות תרמית - לעתים קרובות מקבל פחות תשומת לב.אבל זה נכס מכני בסיסי הקובע כיצד רכיבי סוללה מגיבים ללחצים הקבועים של טעינה, פיזור, והתרחבות תרמית.

מה זה חומר אלסטיאליות ומדוע זה משנה בטריקים?

אלסטיליות היא היכולת של חומר לעיוות באופן רציני תחת עומס יישומי ולחזור לצורתו המקורית ברגע שהעומס הוסר.במכניקה מוצקה, הוא מוגדר על ידי המודולוס האלסטי (המודולולוס של יאנג) ואת כוח התשואות.גמישות גבוהה (התרגילים, לחץ גבוה להתאושש) מאפשר חומרים לספוג אנרגיה מכנית ללא עיוות קבוע.

• (ב) ,0) חלקיקים חשמליים (FLT:1) מתרחבים וחוזה במהלך ההצתה וההתמדה (עד 10% שינוי נפח עבור זוועות סיליקון).
• (ב) ,0) אספסוף אספן (CurrentאספןsFLT:1) (כלי קוסמטיקה ואלומיניום) חווים זנים רביליים ודחוסים.
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0)Cell casingsings andמודול Complexssover 1) חייב לעמוד בפני זעזועים חיצוניים, רטטים, ומבנה לחץ פנימי.

אם כל אחד מהמרכיבים האלה חסר גמישות מספקת, מיקרו-צריפים יכולים ליצור, המוביל לאובדן מגע חשמלי, התנגדות פנימית מוגברת, זיהום אלקטרוליטי, והיכולת בסופו של דבר להיעלם. יתר על כן, לינה לא מספקת של מתח מכני יכול לגרום מעגלים קצרים או ריצות תרמיות.

הנוף מתח מכני בתוך סוללה EV

שינויים בטעינה וטעינה

במהלך הטעינה, ליתיום ions מופקים מן הקטודה ומוכנס לתוך aode. Graphite anodes להרחיב על ידי כ -10% כאשר מואר במלואו, בעוד aodes סיליקון יכול להתנפח על ידי 300% או יותר. חומרים Cathode כגון ניקל-manganese-cobalt (NMC) גם לעבור שינויים נפח, בדרך כלל קטן יותר (2-5%) אלה לייצר תנודות פנימי כי הוא גורם ריצוף אלקטרוליטי, אם הוא פיזור דחיסה הוא דחיסה הוא חלקיקים דחיסה הוא דחיסה דחיסה הוא דחיסה דחיסה חלקיקיתית, אם הוא דחיסה הוא דחיסה דחיסה הוא דחיסה חלקיקית נוזל הנוכחי.

חומר עם גמישות גבוהה יכול להכיל שינויים בנפח זה עם פחות עיוות פלסטיק.לדוגמה, מדביקים גמישים כגון גומי סטיילרן-אבלדין (SBR) או פוליווינילidene fluoride (PVDF) משמשים בדרך כלל כדי להחזיק חלקיקים פעילים יחד.הגמישות של החייב משפיעה ישירות על היושרה של ציפוי אלקטרודה.

מטען מכני חיצוני: ויברציה, הלם, ו Crushing

EVs לפעול על כבישים אשר לשדר תנודות קבועות מן השעיה, כמו גם זעזועים מזדמנים מן החיתולים או התנגשות. ערכות סוללה חייבות לעמוד בעומסים אלה ללא מעגלים קצרים פנימיים או דליפות מגניבות.חומרי השקיה, לעתים קרובות אלומיניום או פלדה, דורשים מספיק עמידות לספוג השפעות נוקשות מדי ללא עיוות קבוע שיכול לפגוע תאים פנימיים.

כיצד אסטנסיות משפיעה על ביצועי סוללה מרכזיים

יכולת קשב ומחזור חיים

היכולת לדעוך מעל רכיבה על אופניים היא בעיה ידועה סוללות ליתיום-יון. תורם גדול הוא ההשפלה המכנית של המבנה החומרי הפעיל.כאשר קטואדה או חלקיקים סדק, פני השטח החשופים מגיבים עם אלקטרוליטטה, צריכת ליתיום ions ויצרו סדקים מוצקים-אלקטרוניקה (SEI) תהליך זה מפחית באופן בלתי הפיך את יכולת ה-אוסטיאטסם-אוסטרורציה פעילה-מחדשהעצמית-מחדש-הפחתת הלחץ/הפחתת הנית-העצמית-ה.

החוקרים הוכיחו כי שילוב ציפוי פולימרים אלסטיים על חלקיקים משפר באופן משמעותי את חיי מחזור.הציפויים עם סיליקון במהלך ההצתה ולאחר מכן מחלים, מניעת בידוד חלקיקים באופן דומה, מפרידים גמישים שנעשו מתערובת פוליאולפין יכולים לשמור על מבנה פושר אפילו תחת דחיסה, הבטחת תחבורה אחיד ליתיום וצמצום צפיפות מקומית המזרזת את ההשפלה.

התנגדות פנימית ותפקודי כוח

התנגדות פנימית (IR) מושפעת ממגע בין חלקיקים אלקטרודה, אספנים נוכחיים, ונתיבים אלקטרוליטטיים. השפלה מכנית מגבירה את IR על ידי שוברת מסלולים מוליכים.חומרי אלסטיטיס יכולים לשמור על הפחתה חשמלית טובה יותר תחת.לדוגמה, רשתות אלסטיברוס באלקטרודות מאפשרות למתוח ללא מגע בין חלקיקים שחורים ופעילים פחמן.

ניהול ובטיחות

הרחבה תרמית היא תוצאה טבעית של פעולת סוללות, במיוחד במהלך טעינה מהירה שבו טמפרטורות פנימיות יכולות לעלות בחדות.תאים להתרחב כאשר חם, ואם מבנה ה- casing או מודול הוא חזק מדי, כוחות דחוסים לבנות ויכול להוביל מעגלים קצרים פנימיים או ליתיום בשפע.

בטיחות היא רבת: בדיקות של התעללות מכנית (חדירה של נייר, חץ, ירידה) הן סטנדרטיות עבור הסמכה EV סוללות. Batteries עם חומרים גמישים יותר וחיתוך פנימי יכול טוב יותר לספוג אנרגיה השפעה, צמצום הסבירות של מעגלים קצרים ושריפות.

הנדסה של ספקטרום חומרים

חומרים חד-פעמיים: סיליקון וגרפיט

שרידים של הסיליקון מציעים יכולת תיאורטית גבוהה (4200 mAh/g), אבל השינויים בנפח העצום שלהם הופכים אותם לבלתי יציבים מבחינה מכנית.אסטרטגיות לשיפור גמישות כוללים:

• (FLT:0)Nanostructuring:FLT:1 ננווטים סיליקון, ננו-בוטיקים וחלקיקי ⁇ יש חללים ריקים המאפשרים התרחבות ללא לחץ על המבנה כולו.אדריכלות אלה מתנהגים באופן אלסטי ב-Nanoscale.
• (FLT:0) כוויות קדמוניות: FLT:1reas כמו נתרן אלג'ינאטה, חומצה פוליקלית (PAA), ומוליכים elastomers פותחו כדי להכיל נפיחות של סיליקון.
• (FLT:0)composite אלקטרודות:FLT:1 Mixing סיליקון עם ננופי פחמן יוצר רשת התנהגותית שבה גרפיט רך מספק כמה אלסטיות לאלקטרודה הכוללת.

שרידים Graphite הם יותר גמישים מסיליקון אבל עדיין ליהנות מגמישות מכוונת אופטימלית.לדוגמה, באמצעות שילוב של SBR (גומי סטיילרן-אבלדין) ו carboxymethyl cellulose (CMC) משפר את היכולת של אלקטרודה להתכווץ במהלך רכיבה על אופניים.

חומרים קסתודיים: NMC, LFP ו- NCA

חומרים Cathode גם להרחיב, למרות פחות דרסטי.עם זאת, ניקול גבוה NMC (למשל, NMC811) עובר שינויים מנוף אסטרוטרופי שיכול לגרום חלקיקים סדק.קישו חלקיקים עם חומרים גמישים כגון תחמוצת אלומיניום (Al2O3) או ליתיום niobate (Lib3) יכול לספק buffer מכני בעוד גם לעבור את פני השטח מתקדמים יותר.

עבור LFP (ליטפוס ברזל ליתיום), שינויים בנפח הם מינימליים, מה שהופך אותו חזק מבחינה מכנית.עם זאת, ניסוחים אלקטרודה סלריים עדיין דורשים גמישות קושרת אופטימלית כדי להבטיח דבקות וגמישות, במיוחד תאים גדולים של פורמט שבו ריכוזי מתח גבוהים יותר.

ארכיון תגיות: The Avalon Guardian

גמישות ספרדית היא קריטית כי ה-Sparator חייב להישאר שלם בעוד אלקטרודות להתרחב ולחוזה. נציין פוליאולפין מסורתי (polyethylene, Polypropylene) יש גמישות בינונית, אבל עיצובים מתקדמים משלבים:

• (FLT:0) מפרידים אלסטומריים: FIRLT:1 (שימוש בפולימרים דמויי גומי (למשל, פוליאורטן, PDMS) שיכולים למתוח עד 50% או יותר תוך שמירה על מבנה פואר.
• (FLT:0 ⁇ sated-cosoators: ibph:1) שכבת הקרמיקה (למשל, אל2O3, SiO2) מוסיפה נוקשות, אבל הבסיס הפולימריא מספק גמישות.
• (FLT:0) מבדילים שאינם זועמים: FLT:1; פברווס מפולימרים גמישים מציעים פורוזיות גבוהה וגמישות, אידיאלי עבור תאים פריזמטיים ו pouch שחווים נפיחות משמעותית.

אספן ו Casings

אספנים נוכחיים של Copper ואלומיניום הם גמישים יחסית (המודולולוס של יאנג) - 110-70 GPa) אבל יכול עייפות על מחזורים רבים. ⁇ ⁇ נר (6-12 מיקרומטר) מעדיפים חיסכון במשקל אבל הם נוטים יותר לעיוות פלסטיק.

משקעים של סוללות עבור תאים prisיים הם לעתים קרובות אלומיניום עם גמישות בינונית. כמה יצרנים לשלב צלעות גמישים או מעיינות בתוך ה casing כדי ליישם דחיסה מבוקרת על ערימה התא. עבור תאים pouch, את הדלסול החיצוני עצמו יש קצת גמישות, אבל תיקונים חיצוניים דחיסות עם כריות elastomeric משמשים כדי לשמור אפילו לחץ.

בדיקה ואפיון של אלסטיאליזם בחומרי סוללה

כדי לעצב גמישות, מדידה מדויקת היא חיונית.טכניקות נפוצות כוללות:

• (ב) ⁇ :0) ,Nanoindentation: FLT:1 Measuresגמישות Modulus וקשידות על משטחים אלקטרודה בקנה מידה מיקרו-ממדי.
• (FLT:0) ניתוח מכני דינמית (DMA): קיד 1 (DMA): בודק את התכונות הקדמיות של כובלים וחילופים תחת עומס מחזורי בטמפרטורות שונות.
• (FLT:0) ב-itu מכני בדיקה:FLT:1 בשילוב עם אופניים אלקטרוכימיים (באמצעות תאים מותאמים אישית עם חיישנים עומס) כדי לעקוב אחר האופן שבו שינויים משתנים עם מצב של מטען.
• (FLT:0)Digital Image Correlation (DIC): שיטת אופטיקה 1:1 כדי למפות התפלגות זנים על פני השטח אלקטרודה במהלך רכיבה על אופניים, חשיפת התנהגות אלסטית מקומית או פלסטית.

פרוטוקולים סטנדרטיים (למשל, ASTM E111 עבור Modulus) מותאמים לחומרי סוללות, אך השדה חסר מבחן אחיד עבור גמישות בתנאים אלקטרוכימיים.

מגמות עתידיות וחדשנות חומרית

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

אחד הגבולות המרגשים ביותר הוא השימוש בפולימרים המניפולנים העצמיים שיכולים לתקן מיקרו-קracks באופן אוטונומי.חומרים אלה משלבים גמישות גבוהה עם פונקציונליות כימית (למשל, אג"ח מימן דינמי או קישורים מחוספסים) המאפשרים משטחים שבורים להתחדש. כאשר משולבים לתוך מברשות או ציפויים, פולימרים עצמיים יכולים להאריך את חיי הסוללה באופן דרמטי על ידי תיקון מתמיד של חומרים מכניים הראו כי יש יותר מ- 1000 תחנות שימור.

אלסטיאל גרפן ו- Carbon Nanotube Networks

Graphene oxide סרטים ו- Carbon nanotube (CNT) buckypapers מציג גמישות יוצאת דופן כאשר מהנדס כראוי (למשל, על ידי גבירת או יצירת מבנים ⁇ ) אלה יכולים לשמש גם אספנים נוכחיים ומארחים חומרים פעילים, מתן עמוד השדרה גמיש מאוד כי מתאים שינויים נפח תוך שמירה על מוליכות חשמל.

Mechanoelectrochemical זוגות מודל

מתקדם בחומרים חישוביים מדע עכשיו מאפשר כימאים ומהנדסים לדמות את ההתנהגות המכנית והאלקטרוכימית של רכיבי סוללה.מודלים אלמנט פיניטיים יכולים לחזות התפלגות מתח ולדריך את העיצוב של שכבות buffer אלסטי, ארכיטקטורות מודולליות כיתה ואופטימיזציה של אלקטרודה מורולוגיות.מודלים אלה הופכים חשובים יותר ויותר כמו גורמי צורה סוללה מתפתחים (למשל, מוצק, ערימה דו קוטבית).

סולידריות המדינה בטיטרי: אתגר חדש של אלסטיאליזם

סוללות מוצקות-מדינה (SSBs) להחליף אלקטרוליטים נוזליים עם קרמיקה מוצקה או פולימרים. מוצקים אלה הם לעתים קרובות ריבאט (ceramics) או מולקולסטיק (polymers) ניהול גמישות של ממשק אלקטרוליטנטי-אלקטרוניקה-אלקטרוניקה זה קריטי: אלקטרוליט חייב להישאר במגע אינטימי עם אלקטרודות כפי שהם מרחיבים ו- Ceramic אלקטרוליטים דורשים לחץ חיצוני כדי לשמור על נוגדנים חזקים, אבל יכול להיות מחוסנים מגנטיים חזקים יותר (כיים אלקטרוליטיים) עם אלקטרוליטיים מגנטיים חזקים יותר.

פרספקטיבה תעשייתית: יישום אמיתי-עולמי

יצרני רכב וסוללות כבר משלבים מושגים אלסטיים לייצור.

• (FLT:0) תאי 4680 של טסלה 1 בינואר) משתמשים בעיצוב טבלאות וחבילה סוללות מבנית שבו התאים עצמם תורמים לנוקשות הרכב.התכונות האלסטיות של כריית הדחיסה הפנימית והחריד הן קריטיות לשמירה על שלמות מבנית.
• (FLT:0)LG Energy Solution ו- SK OnFLT:1) הפטנטים של מפרידים אלסטומריים עם ציפויים קרמיקה לשיפור הבטיחות והמחזור.
• (FLT:0) של תא-ל-חבילה (CTP) ,FLT:1 מבטל רכיבים מודולים רבים, הצבת תאים ישירות לתוך החבילה עם דבקים אלסטיים קצף כדי לספוג רטט.

דוגמאות אלה מראות כי גמישות אינה רק סקרנות מעבדה אלא גם מנוף הנדסי מעשי לשיפור ביצועים ולהפחית את העלות.

מסקנה

(הגמישות היא נכס שמחלחל לכל שכבת סוללה EV - מנייר בקנה מידה אטומי להגנה על תאונת דרכים ברמת החבילה, היא שולטת כמה מרכיבים עומדים בנפיחות מחזורית, רטטים חיצוניים ותנודות תרמיות הטמונים בהפעלה חשמלית.