Pri konštrukcii batériovej jednotky sa pena môže javiť ako relatívne jednoduchá tlmiaca vrstva.

V praxi však môže byť výber správnej peny oveľa zložitejším technickým rozhodnutím.

Aká hrubá by mala byť pena?

Mali by ste si vybrať 1 mm, 2 mm alebo 3 mm?

Poskytuje vyššia hustota vždy lepšiu podporu?

Je mäkšia pena lepšia pri prispôsobení sa expanzii buniek?

A možno to najdôležitejšie:

Akú tlakovú silu bude pena poskytovať počas svojej životnosti?

Na tieto otázky nemožno odpovedať len hrúbkou alebo hustotou.

Pri kompresných aplikáciách batérie sú dôležitejšími faktormi kompresné správanie peny, kompresná sila, zotavenie, uvoľnenie stresu a dlhodobý kompresný výkon..

1. Prečo sa v batériách používa pena?

Lítium-iónové články nie sú rozmerovo statické komponenty.

Počas nabíjania a vybíjania môže dôjsť k zmenám hrúbky článkov. V závislosti od bunkovej chémie, konštrukcie a stavu starnutia sa môže časom vyvinúť aj nezvratný opuch.

Toto je obzvlášť dôležité pre vreckové a prizmatické články, kde je potrebné riadiť rozmerové zmeny v rámci batériového modulu alebo štruktúry balenia.

Vrstva kompresnej peny môže pomôcť:

• Prispôsobte sa zmenám hrúbky buniek

• Udržujte kontrolovaný kontaktný tlak

• Kompenzujte montážne tolerancie

• Znížte relatívny pohyb medzi komponentmi

• Poskytnite odpruženie proti vibráciám a mechanickým nárazom

• Udržujte mechanickú podporu pri zmene rozmerov bunky

Preto by sa pena vo vnútri batérie nemala považovať len za materiál vypĺňajúci medzery.

Je to funkčný mechanický komponent, ktorý spolupracuje s článkom počas celej životnosti batérie.

To je dôvod, prečo sa kompresné materiály batérie často hodnotia pomocou parametrov, ako je deformácia kompresnej sily (CFD), a nie samotná hrúbka a hustota.

2. Bežná mylná predstava: Poskytuje hrubšia pena lepšie odpruženie?

Nie nevyhnutne.

Predpokladajme, že konštrukcia batérie má 2 mm dostupnú medzeru.

Môže sa zdať rozumné zvoliť 3 mm penu a stlačiť ju do dostupného priestoru. Môže sa zdať, že hrubšia pena poskytuje viac priestoru na odpruženie.

Hrúbka však iba popisuje geometriu materiálu.

To, čo bunka v skutočnosti zažíva, je tlaková sila generovaná penou pri určitej úrovni kompresie.

Napríklad dve peny môžu mať obe počiatočnú hrúbku 3 mm:

• Pena A môže počas stláčania vytvárať relatívne vysokú tlakovú silu.

• Pena B môže vytvárať nižšiu a postupnejšiu tlakovú silu.

Hoci ich hrúbka je identická, ich účinok na bunku môže byť veľmi odlišný.

Rovnaký princíp platí pri porovnávaní rôznych hrúbok toho istého materiálu.

Hrubšia pena môže poskytnúť väčšiu výtlačnú kapacitu, ale ak generuje nadmernú tlakovú silu na prevádzkovej úrovni kompresie, nemusí byť vhodná pre danú aplikáciu.

Kľúčová otázka teda nie je:

'Aká hrubá by mala byť pena?'

je to:

'Akú tlakovú silu vygeneruje pena v rámci skutočného prevádzkového rozsahu kompresie?'

3. Ktoré parametre peny sú dôležité v aplikáciách s batériou?

Pri hodnotení kompresnej peny pre batériu by sa malo zvážiť niekoľko parametrov súčasne.

3.1 Deformácia kompresnej sily (CFD)

Compression Force Deflection, alebo CFD, opisuje silu generovanú penou, keď je stlačená na špecifickú deformáciu.

Napríklad:

• 10% kompresia

• 25% kompresia

• 50% kompresia

Výsledná sila na každej úrovni kompresie poskytuje oveľa jasnejší obraz o mechanickom správaní materiálu ako samotná hustota.

Pri batériových aplikáciách nie je vo všeobecnosti cieľom vybrať najtvrdší dostupný materiál.

Namiesto toho by pena mala poskytovať primeranú a riadenú odozvu na stlačenie v rámci prípustného rozsahu tlaku bunky.

Vďaka tomu je kompresná krivka dôležitou súčasťou výberu materiálu.

3.2 Krivka kompresie

Jedna hodnota CFD nie vždy poskytuje dostatok informácií.

Dodávateľ môže poskytnúť napríklad:

Kompresná sila @ 25 % = XX kPa

Táto hodnota je užitočná, ale čo ak skutočná aplikácia pracuje medzi 10% a 40% kompresiou?

Správanie peny v celom rozsahu kompresie môže byť dôležitejšie ako jej výkon v jednom špecifickom testovacom bode.

Zvážte dva hypotetické materiály:

Tieto dva materiály môžu vykazovať podobný výkon pri 25% kompresii.

Ich správanie sa však môže výrazne líšiť pri vyšších úrovniach kompresie.

Ak expanzia buniek zvyšuje kompresiu peny počas prevádzky, tento rozdiel môže byť dôležitý pre celkový dizajn balenia.

Z tohto dôvodu by mali inžinieri vyhodnotiť správanie sily a vychýlenia v rámci očakávaného rozsahu kompresie , a nie spoliehať sa na jeden údajový bod.

4. Dlhodobá kompresia: Zachová si pena svoju silu?

Počiatočný kompresný výkon je len časťou rovnice.

Očakáva sa, že batéria bude fungovať počas opakovaných cyklov nabíjania a vybíjania.

Bunka sa môže opakovane rozširovať a zmršťovať, zatiaľ čo dlhodobé starnutie môže priniesť ďalšie rozmerové zmeny.

Pena si preto musí časom zachovať svoju mechanickú funkciu.

Tu je relaxácia stresu a nastavenie kompresie . dôležitá

Uvoľnenie stresu

K relaxácii napätia dochádza, keď je materiál udržiavaný na relatívne konštantnej deformácii, zatiaľ čo sila, ktorú vytvára, sa v priebehu času postupne znižuje.

Napríklad:

Pena môže spočiatku generovať 100 kPa pri danej úrovni kompresie.

Po dlhšom stlačení sa sila môže znížiť.

Ak pôvodný návrh zohľadňuje iba počiatočnú kompresnú silu, skutočný dlhodobý výkon sa môže líšiť od počiatočného výsledku testu.

Kompresná súprava

Stupeň stlačenia popisuje tendenciu materiálu zachovať si trvalú deformáciu po stlačení.

Vysoká deformácia v tlaku môže znížiť schopnosť materiálu obnoviť svoju pôvodnú hrúbku a zachovať konzistentnú mechanickú podporu.

Pri aplikáciách s kompresiou batérií by sa preto pri hodnotení dlhodobého výkonu mali brať do úvahy obe vlastnosti.

5. Poskytuje mäkšia pena vždy lepšie riadenie expanzie buniek?

Opäť nie nevyhnutne.

Je lákavé predpokladať, že mäkšia pena bude automaticky lepšia, pretože dokáže pokryť väčšiu expanziu.

Príliš mäkký materiál však nemusí poskytovať dostatočnú mechanickú oporu.

Na druhej strane nadmerne tuhý materiál môže pri expanzii bunky vytvárať nadmernú tlakovú silu.

Cieľom je nájsť primeranú rovnováhu medzi:

Rozšírenie buniek
→ Hrúbka peny
→ Kompresný pomer
→ Kompresná sila
→ Zotavenie
→ Dlhodobé udržanie sily

To je dôvod, prečo je výber peny akumulátora v podstate skôr problémom mechanického prispôsobenia , než len rozhodnutím o tvrdosti materiálu.

6. Prečo je mikrocelulárna PU pena zvažovaná pre batérie?

Mikrobunková polyuretánová (PU) pena môže byť navrhnutá tak, aby poskytovala rôzne kompresné a regeneračné charakteristiky.

V závislosti od zloženia a štruktúry môže mikrocelulárna PU pena ponúkať kombináciu:

• Kontrolovaná kompresia

• Odpruženie

• Elastické zotavenie

• Riadenie vibrácií

• Rozloženie stresu

• Dlhodobý kompresný výkon

Vďaka týmto vlastnostiam je mikrocelulárna PU pena potenciálnym materiálovým riešením pre aplikácie, ako sú:

• EV akumulátory

• Batériové moduly

• Kompresia buniek vrecka

• Odpruženie medzi bunkami

• Odpruženie medzi bunkami

• Správa rozšírenia batérie

Samotná 'PU pena' však nie je dostatočnou materiálovou špecifikáciou.

Rôzne PU peny môžu mať výrazne odlišné:

• Hustota

• Tvrdosť

• Bunková štruktúra

• Sila kompresie

• Správanie pri obnove

• Kompresná súprava

• Teplotný výkon

Preto správna otázka nie je:

'Dá sa PU pena použiť v batérii?'

Užitočnejšia otázka je:

'Ktorá PU pena poskytuje kompresné správanie požadované špecifickou konštrukciou batérie?'

7. Praktický prístup k výberu peny akumulátora

Ak v súčasnosti hodnotíte kompresnú penu pre aplikáciu batérie, začnite skôr skutočnými prevádzkovými podmienkami než špecifikáciou peny.

Krok 1: Definujte typ bunky

Zistite, či aplikácia používa:

• Vreckové bunky

• Prizmatické bunky

• Cylindrické bunky

Mechanické požiadavky sa môžu výrazne líšiť medzi rôznymi konštrukciami buniek.

Krok 2: Definujte dostupnú medzeru

Napríklad:

Dostupná medzera: 2,5 mm

Dostupný priestor je jedným z kľúčových faktorov určujúcich požadovanú hrúbku peny.

Krok 3: Definujte cieľovú kompresiu

Určte, do akej miery bude pena stlačená počas montáže a prevádzky.

Napríklad:

Počiatočná kompresia: 20-30%

Skutočná hodnota by mala byť určená skôr špecifickou konštrukciou batérie než uplatnením univerzálneho cieľa.

Krok 4: Definujte požadovanú kompresnú silu

Toto je jeden z najdôležitejších parametrov.

Namiesto toho, aby ste jednoducho povedali dodávateľovi peny:

'Potrebujeme mäkkú penu.'

Oveľa užitočnejšie je špecifikovať požadovanú kompresnú silu alebo rozsah tlaku.

Krok 5: Zvážte rozšírenie bunky

Odhadnite, ako sa môže meniť hrúbka bunky počas prevádzky a starnutia.

Pena by sa potom mala vyhodnotiť v príslušnom rozsahu kompresie.

Krok 6: Vyhodnoťte dlhodobý výkon

Zvážte:

• Kompresná súprava

• Uvoľnenie stresu

• zotavenie

• Teplotná odolnosť

• Výkon kompresného cyklovania

Krok 7: Vyberte hrúbku a hustotu peny

Až po pochopení vyššie uvedených parametrov by sa mala finalizovať hrúbka a hustota.

Inými slovami:

Nezačínajte hrúbkou a potom hľadajte penu.

Začnite s mechanickými požiadavkami a potom určite, ktorá penová konštrukcia a hrúbka ich môžu spĺňať.

8. Aké informácie by ste mali poskytnúť pri žiadosti o vzorky peny z batérií?

Všeobecný dopyt, ako napríklad:

'Odporúčte penu pre batérie EV.'

zvyčajne neposkytuje dostatok informácií na zmysluplné materiálne odporúčanie.

Užitočnejší technický prieskum by zahŕňal:

Použitie: Kompresná podložka z bunky do bunky / z bunky do modulu

Typ bunky: Vreckový / Prizmatický / Cylindrický

Dostupná medzera: XX mm

Cieľová hrúbka peny: XX mm

Počiatočná kompresia: XX %

Požadovaná tlaková sila: XX–XX kPa

Prevádzková teplota: XX–XX °C

Cyklovanie kompresie: XX cyklov

Požadovaná kompresná sada: XX %

Ďalšie požiadavky: Nehorľavosť, elektrická izolácia, tepelná odolnosť, lepiaca podložka, vysekávanie alebo iné požiadavky

Čím jasnejšie sú definované aplikačné podmienky, tým presnejšie môže dodávateľ peny vyhodnotiť potenciálne materiály.

9. Ako vyhodnotiť kompresnú penu na batérie od dodávateľa

Pri porovnávaní rôznych materiálov je ľahké zamerať sa na niekoľko prvých čísel v technickom liste:

Hustota.
Hrúbka.
Tvrdosť.

Tieto parametre sú užitočné, ale nehovoria celý príbeh.

Pre aplikáciu kompresie je často užitočnejšie požiadať o:

• Údaje o deformácii sily kompresie

• Krivky sily-deformácia

• Dáta komprimovanej sady

• Údaje o relaxácii stresu

• Charakteristiky zotavenia

• Teplotný výkon

• Dlhodobý kompresný výkon

• Testovanie vzoriek v skutočných podmienkach aplikácie

Tento prístup umožňuje inžinierom hodnotiť materiál na základe jeho funkčného výkonu , a nie jednoducho porovnávať katalógové špecifikácie.

10. Lepší spôsob, ako premýšľať o výbere peny na batérie

V prípade batériových aplikácií možno proces výberu zjednodušiť do jedného inžinierskeho reťazca:

Správanie buniek
↓
Dostupná medzera
↓
Hrúbka peny
↓
Kompresný pomer
↓
Kompresná sila
↓
Uvoľnenie napätia / nastavenie kompresie
↓
Dlhodobý mechanický výkon

Toto je úplnejší spôsob hodnotenia kompresnej peny, než sa jednoducho pýtať, či je materiál 'mäkký' alebo 'tvrdý'.

Pre peny XY môžu byť mikrobunkové PU penové riešenia, ako je séria INF, hodnotené na základe špecifických požiadaviek aplikácie.

Výber materiálu by mal byť založený skôr na požadovanom rozsahu kompresie, sile kompresie, chovaní pri regenerácii, teplotných podmienkach a dlhodobom výkone, než na samotnej kvalite produktu.

Záver: Výber peny batérie nie je len o hrúbke

Ak je pri výbere peny pre batériu potrebné pamätať na jednu vec, je to toto:

Hrubšia pena neznamená automaticky lepšie odpruženie a mäkšia pena neznamená automaticky lepšie riadenie expanzie.

Správny materiál musí zodpovedať skutočnému mechanickému správaniu batériového systému.

Kľúčové otázky sú:

• Ako veľmi sa bunka rozšíri?

• Aká je dostupná medzera?

• Aký rozsah kompresie zažije pena?

• Aká tlaková sila je prijateľná?

• Ako sa pena obnoví?

• Akú silu si zachová po dlhodobej kompresii?

• Ako ovplyvní teplota a cyklovanie jeho výkon?

Vhodná kompresná pena na batérie by sa preto mala vyberať na základe kompresného správania a dlhodobého výkonu , nie samotnej hrúbky alebo hustoty.

Pre vývojárov batérií, ktorí hodnotia kompresnú penu, typu článku, dostupnej medzery, cieľovej kompresie, požadovanej kompresnej sily, prevádzkovej teploty a dlhodobých požiadaviek na výkon . je najlepším východiskovým bodom poskytnutie

Pretože v batérii nie je najdôležitejšou otázkou hrúbka peny.

Ide o to, ako sa pena správa, keď sa článok rozťahuje – a ako sa toto správanie mení počas životnosti batérie.