Materiales y normas para baterías de iones de litio

En la actualidad, no existe ninguna norma para los iones de litio. batería tamaño debido a las diferentes especificaciones de los productos y a los distintos escenarios de aplicación de los diferentes fabricantes. La batería suele ser de acero inoxidable o aluminio estampado, aluminio fundido, fibra de vidrio, polímeros o algunos compuestos.

En este artículo se presentan en detalle los distintos métodos de fabricación de baterías de iones de litio y algunas normas de uso común en este tipo de baterías. Después de leer este artículo, comprenderá mejor este aspecto de la fabricación de baterías. batería de iones de litio.

Envases metálicos

La batería utiliza diversos materiales. Plástico, acero inoxidable, aluminio, fibra de vidrio y materiales compuestos utilizados en el interior del módulo de la batería y la cáscara.en la mayoría de los casos, el sistema de almacenamiento de energía es esta combinación.

Caja de acero inoxidable y caja de aluminio

El acero inoxidable es relativamente barato y ofrece una gran resistencia mecánica, pero las carcasas de acero inoxidable suelen ser pesadas y requieren soldadores o accesorios para aumentar su resistencia. Estos complementos añaden tiempo al proceso y cuestan más dinero.

Actualmente,  empresa de baterías de iones de litio intenta desarrollar carcasas de acero inoxidable de gran resistencia mecánica y poco peso para competir con el aluminio, más ligero. Nanosteel Company es una de ellas, que ofrece acero inoxidable avanzado con un peso similar al del aluminio pero mayor resistencia mecánica.

Las carcasas de aluminio se fabrican por estampación o fundición. El aluminio tiene un peso ligero, pero requiere un grosor relativamente grande para satisfacer las propiedades mecánicas, especialmente en el caso de las carcasas de aluminio preparadas por estampación. Las carcasas de aluminio preparadas mediante fundición a alta presión (HPDC) tienen una resistencia mecánica, una porosidad y un peso óptimos, pero requieren herramientas caras.

La fundición en arena es relativamente barata, pero algunos de los productos acabados que se fabrican son de mala calidad y requieren fases de proceso adicionales para perfeccionarlos.

La fundición de yeso es un proceso barato y la planitud de la superficie de los productos es comparable a la de la fundición a alta presión. Sin embargo, la porosidad de los productos de fundición de yeso está mal controlada y suelen presentar defectos. La fundición de yeso tarda relativamente poco tiempo en producirse, por lo que se utiliza con frecuencia en la creación rápida de prototipos.

La fundición a alta presión (HPDC) puede combinarse con otras características durante el proceso de fundición, como la instalación de canales de aire específicos, la combinación con estructuras de soporte de materiales, etc. Estas propiedades adicionales hacen que las carcasas de aluminio sean útiles en muchos paquetes y sistemas de baterías de iones de litio.

Revestimiento

Si el sistema de baterías se basa en diversos materiales metálicos, considere la posibilidad de revestir la superficie. Hay muchas razones y tipos de revestimiento. Una de las principales razones del revestimiento es evitar cortocircuitos en contacto con el suelo o con dispositivos electrónicos y celdas;

En otras palabras, el revestimiento actúa como una barrera para la batería, y esta función es adecuada para una gran variedad de materiales. La tecnología de revestimiento más utilizada es la que se adhiere directamente a la superficie con una película adhesiva, que solo tiene un lado de la película adhesiva y puede adherirse directamente a la superficie metálica para cumplir determinados efectos de aislamiento.

El segundo método de revestimiento es el revestimiento líquido y en polvo. Ambos revestimientos proporcionan protección medioambiental en lugar de aislamiento.

Evaluar la resistencia mecánica del metal

En el caso de las carcasas metálicas, la resistencia mecánica del metal debe evaluarse durante el diseño de la batería. Cuando se funde una carcasa metálica, a menudo es necesario reforzar la estructura de la carcasa mediante el refuerzo de tuercas, soldadura o revestimiento. El grado de refuerzo puede determinarse mediante análisis de elementos finitos y simulación de impactos y vibraciones.

Cuidado con los metales incompatibles

Hay que tener cuidado con el uso de metales incompatibles, que pueden provocar reacciones químicas inesperadas (como la corrosión galvánica). Esto es importante para el funcionamiento a largo plazo de los sistemas electroquímicos, porque el sistema lleva una carga parcial durante la corrosión del metal, lo que puede perjudicar la estabilidad a largo plazo de la batería.

Encapsulación de compuestos

Envases de plástico y polímeros

Algunas pilas pequeñas también utilizan envases de plástico. Si no se requiere la estructura de la batería, es probable que el pack de baterías se envase externamente con una película de polímero. Por ejemplo, algunas baterías de vehículos híbridos y de arranque/parada sólo necesitan sellarse para proteger la célula de la batería de iones de litio, y los requisitos mecánicos de la carcasa son bajos.

Las baterías más grandes no sólo utilizan más polímero, sino que también pueden emplear un compuesto que complemente la matriz metálica. Por ejemplo, el Chevrolet Volt de General Motors utiliza una resina de éster vinílico (un tipo de fibra de vidrio) que contiene nanoarcilla y fibra de vidrio 40% como envoltorio. En otras palabras, el Chevrolet Volt utiliza resina de éster de vinilo para empaquetar la parte posterior de la batería.

Los Volt utilizan pilas flexibles de iones de litio y polímeros derivados del nailon BASF y NAT 1503-2F, que contienen fibra de vidrio 33% y estabilizadores hidrolíticos, como tabiques de los extremos y el núcleo.

Los polímeros también se utilizan habitualmente en placas de circuitos interconectados. Las placas de circuitos interconectados suelen incorporar puntos de montaje de células, mazos de cables de control de temperatura y tensión, bucles de supervisión electrónica, soporte mecánico de células y gestión de ventilación de células.

Debido a su versatilidad, la placa de plástico prensado supermodelo tendrá algunas barras conductoras revestidas de níquel o cobre. La placa de circuito Volt eléctrica general utiliza poliamida como conector para la base y la carcasa, y poliamida de fibra de vidrio 35% como placa de circuito de control.

Ignifugación del polímero

También hay que tener en cuenta la resistencia al fuego de los polímeros en los sistemas de baterías. Según la norma UL-94, la retardancia de llama incluye la dirección vertical y la dirección horizontal. En la dirección vertical, el rango del índice de retardancia de llama es VO-V2, y también existen algunos estándares de índice de retardancia de llama horizontal.

En primer lugar, hay que asegurarse de que el polímero utilizado no sea fácil de quemar, de modo que se pueda controlar más fácilmente la propagación del desbordamiento térmico cuando el desbordamiento térmico del núcleo de la batería de iones de litio esté fuera de control. Si la tasa de ignición del polímero es Vo, el efecto inicial del desbocamiento térmico de la batería sobre el polímero es pequeño, por lo que es más fácil controlar el fallo de la célula.

Estándar de la batería

El pack de baterías debe tener en cuenta las condiciones de aplicación de la batería y la posición de instalación. En aplicaciones prácticas, todos los sistemas de baterías deben cumplir las normas de protección especificadas por IEC IP. En el caso de las baterías de sistemas de alimentación, es necesario cumplir el aislamiento contra líquidos y polvo (IP6K9). La clasificación IP, que está sujeta a la norma IEC, es 1EC60529.

Los requisitos de la batería deben ser, en primer lugar, evitar el polvo y la intrusión física, es decir, no permitir que entre polvo en el interior de la batería e impedir que entren objetos (como dedos) en el interior de la batería.

En segundo lugar, la batería debe tener una buena capacidad para aislar líquidos, de forma que no sólo pueda tolerar gotas de líquido sobre ella, sino que también pueda sumergirse completamente en el líquido o someterse a una pulverización de agua sin fallos. En el caso de los sistemas de baterías para vehículos eléctricos, se requiere un sellado que impida la entrada de líquidos y polvo en el paquete de baterías.

Norma IEC IP para baterías

El grado del paquete debe cumplir las normas NEMA. NEMA establece una serie de normas para equipos eléctricos de interior y exterior que suelen utilizarse en sistemas estacionarios de almacenamiento de energía y sistemas de red. Muchos fabricantes de baterías de ión-litio puede producir materiales de envasado NEMA normalizados.

Para algunos sistemas pequeños de almacenamiento de energía, los materiales del paquete de baterías que cumplen las normas NEMA están fácilmente disponibles. Las normas NEMA e IEC IP son similares, pero los requisitos de grado NEMA y el alcance de la protección son más amplios, incluyendo daños mecánicos, riesgo de explosión y protección contra la humedad, gases corrosivos, hongos, aves y animales y otras condiciones especiales; IECIP sólo protege contra el polvo y los líquidos.

Hay muchos fabricantes que producen carcasas que cumplen las normas NEMA. Para los dispositivos de almacenamiento de energía más pequeños, ya existen carcasas en el mercado.

Norma sobre baterías de la Asociación de Fabricantes Eléctricos de Estados Unidos