Trong thiết kế bộ pin, bọt có vẻ là một lớp đệm tương đối đơn giản.

Tuy nhiên, trên thực tế, việc lựa chọn loại bọt phù hợp có thể là một quyết định kỹ thuật phức tạp hơn nhiều.

Bọt nên dày bao nhiêu?

Bạn nên chọn 1 mm, 2 mm hay 3 mm?

Mật độ cao hơn có luôn mang lại sự hỗ trợ tốt hơn không?

Bọt mềm hơn có giúp cho việc mở rộng tế bào tốt hơn không?

Và có lẽ quan trọng nhất:

Bọt sẽ cung cấp bao nhiêu lực nén trong suốt thời gian sử dụng của nó?

Những câu hỏi này không thể được trả lời chỉ bằng độ dày hoặc mật độ.

Đối với các ứng dụng nén bộ pin, các yếu tố quan trọng hơn là đặc tính nén của bọt, lực nén, khả năng phục hồi, giảm ứng suất và hiệu suất nén lâu dài.

1. Tại sao bọt được sử dụng trong bộ pin?

Tế bào lithium-ion không phải là thành phần tĩnh theo chiều.

Trong quá trình sạc và xả, các tế bào có thể trải qua những thay đổi về độ dày. Tùy thuộc vào thành phần hóa học, cấu trúc và tình trạng lão hóa của tế bào, tình trạng sưng tấy không thể phục hồi cũng có thể phát triển theo thời gian.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tế bào túi và lăng trụ, nơi cần quản lý các thay đổi về kích thước trong mô-đun pin hoặc cấu trúc gói.

Lớp bọt nén có thể giúp:

• Chứa các biến thể độ dày tế bào

• Duy trì áp lực tiếp xúc được kiểm soát

• Bù đắp cho dung sai lắp ráp

• Giảm chuyển động tương đối giữa các thành phần

• Cung cấp đệm chống rung và tác động cơ học

• Duy trì hỗ trợ cơ học khi kích thước tế bào thay đổi

Do đó, xốp bên trong bộ pin không nên đơn giản được coi là vật liệu lấp đầy khoảng trống..

Nó là một thành phần cơ học chức năng tương tác với tế bào trong suốt thời gian hoạt động của pin.

Đây là lý do tại sao vật liệu nén pin thường được đánh giá bằng các thông số như Độ lệch lực nén (CFD) thay vì chỉ độ dày và mật độ.

2. Một quan niệm sai lầm phổ biến: Bọt dày hơn có mang lại khả năng đệm tốt hơn không?

Không nhất thiết phải như vậy.

Giả sử thiết kế bộ pin có khoảng cách khả dụng là 2 mm.

Có vẻ hợp lý khi chọn bọt 3 mm và nén nó vào khoảng trống có sẵn. Lớp bọt dày hơn có thể mang lại nhiều không gian hơn cho lớp đệm.

Tuy nhiên, độ dày chỉ mô tả hình dạng của vật liệu.

Những gì tế bào thực sự trải qua là lực nén do bọt tạo ra ở một mức nén cụ thể..

Ví dụ: hai bọt có thể có độ dày ban đầu là 3 mm:

• Bọt A có thể tạo ra lực nén tương đối cao trong quá trình nén.

• Bọt B có thể tạo ra lực nén thấp hơn và từ từ hơn.

Mặc dù độ dày của chúng giống hệt nhau nhưng tác dụng của chúng lên tế bào có thể rất khác nhau.

Nguyên tắc tương tự được áp dụng khi so sánh các độ dày khác nhau của cùng một vật liệu.

Bọt dày hơn có thể cung cấp khả năng dịch chuyển nhiều hơn, nhưng nếu nó tạo ra lực nén quá mức ở mức nén vận hành thì nó có thể không phù hợp cho ứng dụng.

Do đó, câu hỏi quan trọng không phải là:

'Bọt nên dày bao nhiêu?'

Đó là:

'Lực nén sẽ tạo ra trong phạm vi nén hoạt động thực tế là bao nhiêu?'

3. Thông số bọt nào quan trọng trong ứng dụng bộ pin?

Khi đánh giá bọt nén cho bộ pin, một số thông số cần được xem xét cùng nhau.

3.1 Độ lệch lực nén (CFD)

Độ lệch lực nén, hay CFD, mô tả lực do bọt tạo ra khi nó bị nén đến một độ lệch cụ thể.

Ví dụ:

• nén 10%

• nén 25%

• nén 50%

Lực tạo ra ở mỗi mức nén cung cấp một bức tranh rõ ràng hơn nhiều về đặc tính cơ học của vật liệu so với chỉ riêng mật độ.

Đối với các ứng dụng pin, mục tiêu thường không phải là chọn vật liệu cứng nhất hiện có.

Thay vào đó, bọt phải cung cấp phản ứng nén thích hợp và có kiểm soát trong phạm vi áp suất cho phép của tế bào.

Điều này làm cho đường cong nén trở thành một phần quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu.

3.2 Đường cong nén

Một giá trị CFD không phải lúc nào cũng cung cấp đủ thông tin.

Ví dụ: nhà cung cấp có thể cung cấp:

Lực nén @ 25% = XX kPa

Giá trị này hữu ích, nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu ứng dụng thực tế hoạt động ở mức nén từ 10% đến 40%?

Hoạt động của bọt trên toàn bộ phạm vi nén có thể quan trọng hơn hiệu suất của nó tại một điểm kiểm tra cụ thể.

Hãy xem xét hai vật liệu giả định:

Hai vật liệu này có thể cho thấy hiệu suất tương tự ở mức nén 25%.

Tuy nhiên, hành vi của chúng có thể trở nên khác biệt đáng kể ở mức độ nén cao hơn.

Nếu sự giãn nở của ô làm tăng độ nén của bọt trong quá trình sử dụng thì sự khác biệt này có thể trở nên quan trọng đối với thiết kế bao bì tổng thể.

Vì lý do này, các kỹ sư nên đánh giá hành vi lệch lực trên phạm vi nén dự kiến , thay vì dựa vào một điểm dữ liệu duy nhất.

4. Nén lâu dài: Bọt có duy trì được lực không?

Hiệu suất nén ban đầu chỉ là một phần của phương trình.

Một bộ pin dự kiến ​​sẽ hoạt động thông qua các chu kỳ sạc và xả lặp đi lặp lại.

Tế bào có thể giãn nở và co lại nhiều lần, trong khi quá trình lão hóa lâu dài có thể gây ra những thay đổi về chiều bổ sung.

Do đó, bọt cần duy trì chức năng cơ học theo thời gian.

Đây là lúc việc thư giãn căng thẳng và tập nén trở nên quan trọng.

Thư giãn căng thẳng

Sự phục hồi ứng suất xảy ra khi vật liệu được giữ ở mức biến dạng tương đối ổn định trong khi lực mà nó tạo ra giảm dần theo thời gian.

Ví dụ:

Bọt ban đầu có thể tạo ra 100 kPa ở mức nén nhất định.

Sau khi bị nén trong một thời gian dài, lực có thể giảm.

Nếu thiết kế ban đầu chỉ xem xét lực nén ban đầu thì hiệu suất thực tế lâu dài có thể khác với kết quả thử nghiệm ban đầu.

Bộ nén

Bộ nén mô tả xu hướng của vật liệu giữ lại biến dạng vĩnh viễn sau khi bị nén.

Bộ nén cao có thể làm giảm khả năng phục hồi độ dày ban đầu của vật liệu và duy trì sự hỗ trợ cơ học ổn định.

Do đó, đối với các ứng dụng nén pin, cả hai thuộc tính này cần được xem xét khi đánh giá hiệu suất lâu dài.

5. Bọt mềm hơn có luôn mang lại khả năng quản lý mở rộng tế bào tốt hơn không?

Một lần nữa, không nhất thiết.

Thật hấp dẫn khi cho rằng bọt mềm hơn sẽ tự động tốt hơn vì nó có thể giãn nở nhiều hơn.

Tuy nhiên, vật liệu quá mềm có thể không cung cấp đủ khả năng hỗ trợ cơ học.

Mặt khác, vật liệu quá cứng có thể tạo ra lực nén quá mức khi tế bào giãn nở.

Mục tiêu là tìm sự cân bằng thích hợp giữa:

Sự giãn nở của tế bào
→ Độ dày bọt
→ Tỷ lệ nén
→ Lực nén
→ Phục hồi
→ Duy trì lực lâu dài

Đây là lý do tại sao việc lựa chọn bọt của bộ pin về cơ bản là một vấn đề về cơ khí phù hợp , thay vì chỉ đơn giản là quyết định độ cứng của vật liệu.

6. Tại sao Bọt PU siêu nhỏ được coi là ứng dụng cho pin?

Bọt polyurethane (PU) vi mô có thể được thiết kế để cung cấp các đặc tính nén và phục hồi khác nhau.

Tùy thuộc vào công thức và cấu trúc, bọt PU vi tế bào có thể cung cấp sự kết hợp của:

• Nén có kiểm soát

• Đệm

• Phục hồi đàn hồi

• Quản lý rung

• Phân bố ứng suất

• Hiệu suất nén dài hạn

Những đặc điểm này làm cho bọt PU vi tế bào trở thành giải pháp vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng như:

• Bộ pin EV

• Mô-đun pin

• Nén tế bào túi

• Đệm từ tế bào đến tế bào

• Đệm từ tế bào đến mô-đun

• Quản lý mở rộng pin

Tuy nhiên, bản thân 'bọt PU' không phải là thông số kỹ thuật đầy đủ của vật liệu.

Các loại bọt PU khác nhau có thể có sự khác biệt đáng kể:

• Tỉ trọng

• độ cứng

• Cấu trúc tế bào

• Lực nén

• Hành vi phục hồi

• Bộ nén

• Hiệu suất nhiệt độ

Vì vậy, câu hỏi đúng không phải là:

'Bọt PU có thể sử dụng trong bộ pin được không?'

Câu hỏi hữu ích hơn là:

'Bọt PU nào cung cấp khả năng nén theo yêu cầu của thiết kế pin cụ thể?'

7. Phương pháp tiếp cận thực tế để lựa chọn bọt cho bộ pin

Nếu bạn hiện đang đánh giá bọt nén cho ứng dụng pin, hãy bắt đầu với điều kiện vận hành thực tế thay vì thông số kỹ thuật của bọt.

Bước 1: Xác định loại ô

Xác định xem ứng dụng có sử dụng:

• Tế bào túi

• Tế bào lăng trụ

• Tế bào hình trụ

Các yêu cầu cơ học có thể khác nhau đáng kể giữa các thiết kế tế bào khác nhau.

Bước 2: Xác định khoảng trống có sẵn

Ví dụ:

Khoảng cách có sẵn: 2,5 mm

Không gian sẵn có là một trong những yếu tố chính quyết định độ dày bọt cần thiết.

Bước 3: Xác định nén mục tiêu

Xác định mức độ nén của bọt trong quá trình lắp ráp và vận hành.

Ví dụ:

Nén ban đầu: 20–30%

Giá trị thực tế phải được xác định theo thiết kế pin cụ thể thay vì áp dụng mục tiêu chung.

Bước 4: Xác định lực nén cần thiết

Đây là một trong những thông số quan trọng nhất.

Thay vì chỉ nói với nhà cung cấp bọt:

'Chúng ta cần một lớp bọt mềm.'

Sẽ hữu ích hơn nhiều khi chỉ định lực nén hoặc phạm vi áp suất cần thiết.

Bước 5: Xem xét việc mở rộng ô

Ước tính độ dày của tế bào có thể thay đổi như thế nào trong quá trình hoạt động và lão hóa.

Sau đó, bọt sẽ được đánh giá trên phạm vi nén tương ứng.

Bước 6: Đánh giá hiệu suất dài hạn

Coi như:

• Bộ nén

• Thư giãn căng thẳng

• Sự hồi phục

• Chịu nhiệt độ

• Hiệu suất đạp xe nén

Bước 7: Chọn độ dày và mật độ bọt

Chỉ sau khi hiểu rõ các thông số trên thì độ dày và mật độ mới được hoàn thiện.

Nói cách khác:

Đừng bắt đầu với độ dày và sau đó tìm kiếm bọt.

Bắt đầu với các yêu cầu cơ học , sau đó xác định cấu trúc và độ dày xốp nào có thể đáp ứng chúng.

8. Bạn nên cung cấp thông tin gì khi yêu cầu mẫu bọt pin?

Một cuộc điều tra chung như:

'Vui lòng đề xuất loại bọt cho ứng dụng pin xe điện.'

thường không cung cấp đủ thông tin cho một khuyến nghị quan trọng có ý nghĩa.

Một cuộc điều tra kỹ thuật hữu ích hơn sẽ bao gồm:

Ứng dụng: Tấm nén từ tế bào đến tế bào / tế bào đến mô-đun

Loại tế bào: Túi / Lăng trụ / Hình trụ

Khoảng cách có sẵn: XX mm

Độ dày bọt mục tiêu: XX mm

Nén ban đầu: XX%

Lực nén yêu cầu: XX–XX kPa

Nhiệt độ hoạt động: XX–XX °C

Chu kỳ nén: Chu kỳ XX

Bộ nén yêu cầu: XX%

Yêu cầu bổ sung: Khả năng chống cháy, cách điện, chịu nhiệt, lớp nền dính, cắt theo khuôn hoặc các yêu cầu khác

Các điều kiện ứng dụng càng được xác định rõ ràng thì nhà cung cấp bọt có thể đánh giá các vật liệu tiềm năng càng chính xác.

9. Cách đánh giá bọt nén pin từ nhà cung cấp

Khi so sánh các vật liệu khác nhau, bạn có thể dễ dàng tập trung vào một vài con số đầu tiên trên bảng dữ liệu kỹ thuật:

Tỉ trọng.
Độ dày.
Độ cứng.

Những tham số này rất hữu ích nhưng chúng không kể toàn bộ câu chuyện.

Đối với một ứng dụng nén, việc yêu cầu:

• Dữ liệu độ lệch lực nén

• Đường cong lực lệch

• Dữ liệu tập nén

• Dữ liệu thư giãn căng thẳng

• Đặc điểm phục hồi

• Hiệu suất nhiệt độ

• Hiệu suất nén dài hạn

• Thử nghiệm mẫu trong điều kiện ứng dụng thực tế

Cách tiếp cận này cho phép các kỹ sư đánh giá vật liệu dựa trên hiệu suất chức năng của nó , thay vì chỉ so sánh các thông số kỹ thuật trong danh mục.

10. Cách tốt hơn để suy nghĩ về việc lựa chọn bọt cho bộ pin

Đối với các ứng dụng pin, quy trình lựa chọn có thể được đơn giản hóa thành một chuỗi kỹ thuật:

Hoạt động của tế bào
↓
Khoảng cách có sẵn
↓
Độ dày bọt
↓
Tỷ lệ nén
↓
Lực nén
↓
Bộ giảm / nén ứng suất
↓
Hiệu suất cơ học dài hạn

Đây là một cách đầy đủ hơn để đánh giá bọt nén hơn là chỉ hỏi xem vật liệu đó là 'mềm' hay 'cứng'.'

Đối với Bọt XY, các giải pháp bọt PU vi tế bào như dòng INF có thể được đánh giá dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Việc lựa chọn vật liệu phải dựa trên phạm vi nén cần thiết, lực nén, đặc tính phục hồi, điều kiện nhiệt độ và hiệu suất lâu dài thay vì chỉ dựa trên loại sản phẩm.

Kết luận: Lựa chọn bọt pin không chỉ là về độ dày

Nếu có một điều cần nhớ khi chọn bọt cho bộ pin thì đó là:

Bọt dày hơn không tự động có nghĩa là đệm tốt hơn và bọt mềm hơn không tự động có nghĩa là quản lý độ giãn nở tốt hơn.

Vật liệu phù hợp cần phải phù hợp với hoạt động cơ học thực tế của hệ thống pin.

Các câu hỏi chính là:

• Tế bào sẽ mở rộng bao nhiêu?

• Khoảng cách có sẵn là gì?

• Bọt sẽ trải qua phạm vi nén nào?

• Lực nén nào có thể chấp nhận được?

• Bọt sẽ phục hồi như thế nào?

• Nó sẽ giữ được bao nhiêu lực sau khi nén lâu dài?

• Nhiệt độ và chu kỳ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của nó như thế nào?

Do đó, nên chọn bọt nén pin phù hợp dựa trên đặc tính nén và hiệu suất lâu dài , chứ không chỉ độ dày hoặc mật độ.

Đối với các nhà phát triển gói pin, việc đánh giá bọt nén, việc cung cấp loại tế bào, khe hở sẵn có, độ nén mục tiêu, lực nén cần thiết, nhiệt độ vận hành và yêu cầu hiệu suất lâu dài là điểm khởi đầu tốt nhất.

Bởi trong một bộ pin, câu hỏi quan trọng nhất không phải là lớp xốp dày bao nhiêu.

Đó là cách bọt hoạt động khi tế bào nở ra và cách thức hoạt động đó thay đổi theo tuổi thọ của pin.