در طراحی بسته باتری، فوم ممکن است یک لایه بالشتک نسبتا ساده به نظر برسد.

با این حال، در عمل، انتخاب فوم مناسب می تواند یک تصمیم مهندسی بسیار پیچیده تر باشد.

ضخامت فوم چقدر باید باشد؟

آیا باید 1 میلی متر، 2 میلی متر یا 3 میلی متر را انتخاب کنید؟

آیا تراکم بالاتر همیشه پشتیبانی بهتری ارائه می دهد؟

آیا فوم نرم تر برای انبساط سلولی بهتر است؟

و شاید مهمتر از همه:

فوم چه مقدار نیروی فشاری در طول عمر خود ایجاد می کند؟

این سوالات را نمی توان تنها با ضخامت یا چگالی پاسخ داد.

برای کاربردهای فشرده‌سازی بسته باتری، عوامل مهم‌تر عبارتند از رفتار فشرده‌سازی فوم ، نیروی فشرده‌سازی، بازیابی، کاهش استرس و عملکرد فشرده‌سازی طولانی‌مدت..

1. چرا از فوم در بسته های باتری استفاده می شود؟

سلول‌های لیتیوم یونی از نظر ابعادی اجزای ساکن نیستند.

در طول شارژ و دشارژ، سلول ها می توانند تغییرات ضخامتی را تجربه کنند. بسته به شیمی سلولی، ساختار و شرایط پیری، تورم غیر قابل برگشت نیز ممکن است در طول زمان ایجاد شود.

این امر به ویژه برای سلول‌های کیسه‌ای و منشوری مهم است، جایی که تغییرات ابعادی باید در ماژول باتری یا ساختار بسته مدیریت شود.

یک لایه فوم فشرده می تواند کمک کند:

• تغییرات ضخامت سلول را در نظر بگیرید

• فشار تماس کنترل شده را حفظ کنید

• تحمل مونتاژ را جبران کنید

• حرکت نسبی بین اجزا را کاهش دهید

• ایجاد بالشتک در برابر لرزش و ضربه مکانیکی

• با تغییر ابعاد سلول، پشتیبانی مکانیکی را حفظ کنید

بنابراین، فوم داخل بسته باتری را نباید صرفاً یک ماده پرکننده شکاف در نظر گرفت.

این یک جزء مکانیکی کاربردی است که در طول عمر باتری با سلول در تعامل است.

به همین دلیل است که مواد فشرده سازی باتری اغلب با استفاده از پارامترهایی مانند انحراف نیروی فشرده (CFD) به جای ضخامت و چگالی به تنهایی ارزیابی می شوند.

2. یک تصور غلط رایج: آیا فوم ضخیم تر بالشتک بهتری را ارائه می دهد؟

نه لزوما.

فرض کنید طراحی بسته باتری دارای فاصله 2 میلی متری است.

ممکن است انتخاب یک فوم 3 میلی متری و فشرده سازی آن در فضای موجود منطقی به نظر برسد. ممکن است به نظر برسد که یک فوم ضخیم‌تر فضای بیشتری را برای بالشتک فراهم می‌کند.

با این حال، ضخامت فقط هندسه مواد را توصیف می کند.

آنچه سلول در واقع تجربه می کند نیروی فشاری است که توسط فوم در یک سطح فشرده سازی خاص ایجاد می شود.

به عنوان مثال، دو فوم ممکن است هر دو ضخامت اولیه 3 میلی متر داشته باشند:

• فوم A ممکن است نیروی فشاری نسبتا بالایی در طول فشرده سازی ایجاد کند.

• فوم B ممکن است نیروی فشاری کمتر و تدریجی بیشتری ایجاد کند.

اگرچه ضخامت آنها یکسان است، اما تأثیر آنها بر روی سلول می تواند بسیار متفاوت باشد.

هنگام مقایسه ضخامت های مختلف از یک ماده، همین اصل اعمال می شود.

فوم ضخیم تر ممکن است ظرفیت جابجایی بیشتری را فراهم کند، اما اگر نیروی فشاری بیش از حد در سطح تراکم عملیاتی ایجاد کند، ممکن است برای کاربرد مناسب نباشد.

بنابراین سوال کلیدی این نیست:

'فم باید چقدر ضخیم باشد؟'

این است:

'فم چه نیروی فشاری در محدوده فشرده سازی عملیاتی واقعی ایجاد می کند؟'

3. کدام پارامتر فوم در برنامه های بسته باتری مهم است؟

هنگام ارزیابی فوم فشرده سازی برای بسته باتری، چندین پارامتر باید با هم در نظر گرفته شوند.

3.1 انحراف نیروی تراکم (CFD)

انحراف نیروی فشرده یا CFD، نیروی ایجاد شده توسط فوم را هنگامی که به یک انحراف خاص فشرده می‌شود، توصیف می‌کند.

به عنوان مثال:

• فشرده سازی 10 درصد

• فشرده سازی 25 درصد

• فشرده سازی 50 درصد

نیروی حاصل در هر سطح تراکم تصویر بسیار واضح تری از رفتار مکانیکی ماده نسبت به چگالی به تنهایی ارائه می دهد.

برای کاربردهای باتری، هدف عموماً انتخاب سخت ترین ماده موجود نیست.

در عوض، فوم باید پاسخ فشاری مناسب و کنترل شده ای را در محدوده فشار مجاز سلول ارائه دهد.

این باعث می شود منحنی فشرده سازی بخش مهمی از انتخاب مواد باشد.

3.2 منحنی فشرده سازی

یک مقدار CFD منفرد همیشه اطلاعات کافی را ارائه نمی دهد.

به عنوان مثال، یک تامین کننده ممکن است ارائه دهد:

نیروی فشرده سازی @ 25% = XX کیلو پاسکال

این مقدار مفید است، اما اگر برنامه واقعی بین 10٪ و 40٪ فشرده سازی عمل کند، چه؟

رفتار فوم در کل محدوده فشرده سازی ممکن است مهمتر از عملکرد آن در یک نقطه آزمایش خاص باشد.

دو ماده فرضی را در نظر بگیرید:

این دو ماده ممکن است عملکرد مشابهی در تراکم 25٪ نشان دهند.

با این حال، رفتار آنها می تواند به طور قابل توجهی در سطوح فشرده سازی بالاتر متفاوت باشد.

اگر انبساط سلولی باعث افزایش فشرده سازی فوم در طول سرویس شود، این تفاوت می تواند برای طراحی کلی بسته مهم شود.

به همین دلیل، مهندسان باید رفتار انحراف نیرو را در محدوده فشرده سازی مورد انتظار ارزیابی کنند.به جای تکیه بر یک نقطه داده واحد،

4. فشرده سازی طولانی مدت: آیا فوم نیروی خود را حفظ می کند؟

عملکرد فشرده سازی اولیه تنها بخشی از معادله است.

انتظار می رود یک بسته باتری از طریق چرخه های مکرر شارژ و دشارژ کار کند.

سلول ممکن است به طور مکرر منبسط و منقبض شود، در حالی که پیری طولانی مدت می تواند تغییرات بعدی بیشتری ایجاد کند.

بنابراین فوم باید عملکرد مکانیکی خود را در طول زمان حفظ کند.

اینجاست که آرامش استرس و تنظیم فشار اهمیت پیدا می کند.

آرامش استرس

کاهش تنش زمانی اتفاق می‌افتد که یک ماده در تغییر شکل نسبتاً ثابت نگه داشته شود در حالی که نیروی ایجاد شده به تدریج در طول زمان کاهش می‌یابد.

به عنوان مثال:

یک فوم ممکن است در ابتدا 100 کیلو پاسکال در یک سطح فشرده سازی معین تولید کند.

پس از فشرده ماندن برای مدت طولانی، نیرو ممکن است کاهش یابد.

اگر طرح اصلی فقط نیروی فشرده سازی اولیه را در نظر بگیرد، عملکرد طولانی مدت واقعی ممکن است با نتیجه آزمایش اولیه متفاوت باشد.

مجموعه فشرده سازی

مجموعه فشرده سازی تمایل ماده به حفظ تغییر شکل دائمی پس از فشرده شدن را توصیف می کند.

یک مجموعه فشرده سازی بالا ممکن است توانایی مواد را برای بازیابی ضخامت اولیه و حفظ پشتیبانی مکانیکی ثابت کاهش دهد.

بنابراین برای کاربردهای فشرده سازی باتری، هر دو ویژگی باید هنگام ارزیابی عملکرد بلند مدت در نظر گرفته شوند.

5. آیا فوم نرم تر همیشه مدیریت بهتری برای گسترش سلول ارائه می دهد؟

باز هم، نه لزوما.

وسوسه انگیز است که فرض کنیم فوم نرمتر به طور خودکار بهتر خواهد بود زیرا می تواند انبساط بیشتری را در خود جای دهد.

با این حال، یک ماده بیش از حد نرم ممکن است پشتیبانی مکانیکی کافی را ارائه نکند.

از سوی دیگر، یک ماده بیش از حد سفت ممکن است با انبساط سلول، نیروی فشاری بیش از حد ایجاد کند.

هدف یافتن تعادل مناسب بین:

انبساط سلولی
← ضخامت فوم
← نسبت تراکم
← نیروی فشرده سازی
← بازیابی
← احتباس درازمدت نیرو

به همین دلیل است که انتخاب فوم بسته باتری اساساً یک مشکل تطبیق مکانیکی است ، نه صرفاً یک تصمیم سختی مواد.

6. چرا فوم میکروسلولار PU برای کاربردهای باتری در نظر گرفته می شود؟

فوم پلی یورتان میکروسلولی (PU) می تواند برای ارائه ویژگی های فشرده سازی و بازیابی مختلف مهندسی شود.

بسته به فرمول و ساختار، فوم PU میکروسلولی می تواند ترکیبی از موارد زیر را ارائه دهد:

• فشرده سازی کنترل شده

• بالشتک

• بازیابی الاستیک

• مدیریت ارتعاش

• توزیع استرس

• عملکرد فشرده سازی طولانی مدت

این ویژگی ها فوم PU میکروسلولی را به یک محلول مواد بالقوه برای کاربردهایی مانند:

• بسته های باتری EV

• ماژول های باتری

• فشرده سازی سلول کیسه ای

• بالشتک سلول به سلول

• بالشتک سلول به ماژول

• مدیریت گسترش باتری

با این حال، 'فوم PU' به خودی خود یک مشخصات مواد کافی نیست.

فوم های PU مختلف می توانند به طور قابل توجهی متفاوت باشند:

• تراکم

• سختی

• ساختار سلولی

• نیروی فشار

• رفتار بازیابی

• مجموعه فشرده سازی

• عملکرد دما

بنابراین، سؤال صحیح این نیست:

'آیا می توان از فوم PU در بسته باتری استفاده کرد؟'

سوال مفیدتر این است:

'کدام فوم PU رفتار فشرده سازی مورد نیاز طراحی باتری خاص را ارائه می دهد؟'

7. یک رویکرد عملی برای انتخاب فوم بسته باتری

اگر در حال حاضر فوم فشرده‌سازی را برای کاربرد باتری ارزیابی می‌کنید، به جای مشخصات فوم، از شرایط عملیاتی واقعی شروع کنید.

مرحله 1: نوع سلول را تعریف کنید

مشخص کنید که آیا برنامه از:

• سلول های کیسه ای

• سلول های منشوری

• سلول های استوانه ای

الزامات مکانیکی می تواند به طور قابل توجهی بین طرح های مختلف سلول متفاوت باشد.

مرحله 2: شکاف موجود را تعریف کنید

به عنوان مثال:

فاصله موجود: 2.5 میلی متر

فضای موجود یکی از عوامل کلیدی تعیین کننده ضخامت فوم مورد نیاز است.

مرحله 3: فشرده سازی هدف را تعریف کنید

تعیین کنید که فوم در هنگام مونتاژ و کار چقدر فشرده می شود.

به عنوان مثال:

فشرده سازی اولیه: 20-30٪

مقدار واقعی باید با طراحی خاص باتری به جای اعمال یک هدف جهانی تعیین شود.

مرحله 4: نیروی فشرده سازی مورد نیاز را تعریف کنید

این یکی از مهمترین پارامترها است.

به جای اینکه به یک تامین کننده فوم به سادگی بگویید:

'ما به یک فوم نرم نیاز داریم.'

تعیین نیروی تراکم یا محدوده فشار مورد نیاز بسیار مفیدتر است.

مرحله 5: گسترش سلول را در نظر بگیرید

تخمین بزنید که چگونه ضخامت سلول ممکن است در طول عملیات و پیری تغییر کند.

سپس فوم باید در محدوده فشرده سازی مربوطه ارزیابی شود.

مرحله 6: ارزیابی عملکرد بلند مدت

در نظر بگیرید:

• مجموعه فشرده سازی

• آرامش استرس

• بازیابی

• مقاومت در برابر دما

• عملکرد چرخه فشرده سازی

مرحله 7: ضخامت و دانسیته فوم را انتخاب کنید

تنها پس از درک پارامترهای فوق باید ضخامت و چگالی نهایی شود.

به عبارت دیگر:

با ضخامت شروع نکنید و سپس به دنبال فوم بگردید.

با الزامات مکانیکی شروع کنید ، سپس تعیین کنید که کدام فوم و ضخامت می تواند آنها را برآورده کند.

8. هنگام درخواست نمونه فوم باتری چه اطلاعاتی را باید ارائه دهید؟

یک تحقیق عمومی مانند:

'لطفاً یک فوم برای کاربردهای باتری EV توصیه کنید.'

معمولاً اطلاعات کافی برای یک توصیه مادی معنادار ارائه نمی کند.

یک پرس و جو فنی مفیدتر شامل موارد زیر است:

کاربرد: پد فشرده سازی سلول به سلول / سلول به ماژول

نوع سلول: کیسه ای / منشوری / استوانه ای

فاصله موجود: XX میلی متر

ضخامت فوم مورد نظر: XX میلی متر

فشرده سازی اولیه: XX%

نیروی تراکم مورد نیاز: XX–XX کیلو پاسکال

دمای کارکرد: XX–XX درجه سانتی گراد

چرخه فشرده سازی: XX سیکل

مجموعه فشرده سازی مورد نیاز: XX%

الزامات اضافی: تاخیر در شعله، عایق الکتریکی، مقاومت حرارتی، پشتیبان چسب، برش قالب، یا سایر الزامات

هرچه شرایط کاربرد واضح تر تعریف شود، تامین کننده فوم می تواند مواد بالقوه را با دقت بیشتری ارزیابی کند.

9. نحوه ارزیابی فوم فشرده سازی باتری از یک تامین کننده

هنگام مقایسه مواد مختلف، تمرکز بر روی چند عدد اول در برگه داده فنی آسان است:

تراکم.
ضخامت.
سختی.

این پارامترها مفید هستند، اما داستان کامل را بیان نمی کنند.

برای یک برنامه فشرده سازی، اغلب مفیدتر است که درخواست کنید:

• داده های انحراف نیروی فشرده سازی

• منحنی های نیرو-انحراف

• داده های مجموعه فشرده سازی

• داده های آرامش استرس

• ویژگی های بازیابی

• عملکرد دما

• عملکرد فشرده سازی طولانی مدت

• آزمایش نمونه تحت شرایط واقعی کاربرد

این رویکرد به مهندسان اجازه می‌دهد تا مواد را بر اساس عملکرد عملکردی آن ارزیابی کنند.به جای مقایسه مشخصات کاتالوگ،

10. روشی بهتر برای فکر کردن در مورد انتخاب فوم بسته باتری

برای کاربردهای باتری، فرآیند انتخاب را می توان در یک زنجیره مهندسی ساده کرد:

رفتار سلول
↓
شکاف موجود
↓
ضخامت فوم
↓
نسبت تراکم
↓
نیروی فشار
↓
آرامش استرس / مجموعه فشرده سازی
↓
عملکرد مکانیکی طولانی مدت

این یک روش کامل‌تر برای ارزیابی فوم فشرده‌سازی است تا اینکه صرفاً بپرسید آیا یک ماده 'نرم' یا 'سخت' است.

برای فوم های XY، محلول های فوم PU میکروسلولی مانند سری INF را می توان بر اساس نیازهای خاص برنامه ارزیابی کرد.

انتخاب مواد باید بر اساس محدوده تراکم مورد نیاز، نیروی تراکم، رفتار بازیابی، شرایط دما و عملکرد طولانی مدت باشد تا بر اساس درجه محصول به تنهایی.

نتیجه گیری: انتخاب فوم باتری فقط در مورد ضخامت نیست

اگر هنگام انتخاب فوم برای بسته باتری یک چیز را به خاطر بسپارید، این است:

فوم ضخیم تر به طور خودکار به معنای بالشتک بهتر نیست و فوم نرم تر به طور خودکار به معنای مدیریت انبساط بهتر نیست.

مواد مناسب باید با رفتار مکانیکی واقعی سیستم باتری مطابقت داشته باشد.

سوالات کلیدی عبارتند از:

• سلول چقدر منبسط خواهد شد؟

• شکاف موجود چقدر است؟

• فوم چه محدوده فشرده سازی را تجربه خواهد کرد؟

• چه نیروی فشاری قابل قبول است؟

• فوم چگونه بازیابی می شود؟

• پس از فشرده سازی طولانی مدت چقدر نیرو را حفظ می کند؟

• دما و دوچرخه سواری چگونه بر عملکرد آن تأثیر می گذارد؟

بنابراین یک فوم فشرده سازی باتری مناسب باید بر اساس رفتار فشرده سازی و عملکرد طولانی مدت انتخاب شود ، نه ضخامت یا چگالی به تنهایی.

برای توسعه دهندگان بسته باتری که فوم فشرده سازی را ارزیابی می کنند، ارائه نوع سلول، شکاف موجود، فشرده سازی هدف، نیروی فشرده سازی مورد نیاز، دمای عملیاتی و الزامات عملکرد طولانی مدت بهترین نقطه شروع است.

زیرا در بسته باتری، مهمترین سوال این نیست که فوم چقدر ضخیم است.

نحوه رفتار فوم هنگام انبساط سلول و نحوه تغییر آن رفتار در طول عمر باتری است.