Matériaux et normes pour les batteries lithium-ion

À l'heure actuelle, il n'existe pas de norme pour le lithium-ion. bloc-batterie La taille des batteries varie en fonction des spécifications des produits et des scénarios d'application des différents fabricants. Le bloc-batterie est généralement fabriqué en acier inoxydable ou en aluminium estampé, en aluminium moulé, en fibre de verre, en polymères ou en certains matériaux composites.

Cet article présente en détail les différentes méthodes de fabrication des batteries lithium-ion et certaines normes couramment utilisées pour les batteries. Après avoir lu cet article, vous aurez une nouvelle compréhension de cet aspect de l'industrie. batterie lithium-ion.

Emballage métallique

Le bloc-batterie utilise une variété de matériaux. Le plastique, l'acier inoxydable, l'aluminium, la fibre de verre et les matériaux composites sont utilisés à l'intérieur et dans l'enveloppe du module de batterie.

Boîtier en acier inoxydable et boîtier en aluminium

L'acier inoxydable est relativement peu coûteux et offre une grande résistance mécanique, mais les coques en acier inoxydable sont généralement lourdes et nécessitent l'intervention de soudeurs ou d'accessoires pour augmenter la résistance. Ces ajouts rallongent le processus et coûtent plus cher.

Actuellement,  société de batteries lithium-ion tente de mettre au point des coques en acier inoxydable présentant une résistance mécanique élevée et un poids léger afin de concurrencer l'aluminium plus léger. La société Nanosteel est l'une d'entre elles. Elle propose un acier inoxydable avancé dont le poids est similaire à celui de l'aluminium, mais dont la résistance mécanique est supérieure.

Les coques en aluminium sont fabriquées par emboutissage ou par moulage. L'aluminium est léger mais nécessite une épaisseur relativement importante pour satisfaire aux propriétés mécaniques, en particulier pour les coques d'aluminium préparées par emboutissage. Les coques en aluminium préparées par moulage sous pression (HPDC) présentent une résistance mécanique, une porosité et un poids optimaux, mais nécessitent des outils coûteux.

Le moulage en sable est relativement bon marché, mais certains des produits finis fabriqués sont de qualité médiocre et nécessitent des étapes de traitement supplémentaires pour être perfectionnés.

Le moulage en plâtre est un procédé bon marché et la planéité de la surface des produits est comparable à celle du moulage à haute pression. Cependant, les produits coulés en plâtre sont mal contrôlés en termes de porosité et présentent souvent des défauts. Le temps de production du moulage en plâtre étant relativement court, il est fréquemment utilisé pour le prototypage rapide.

Le moulage sous haute pression (HPDC) peut être associé à d'autres caractéristiques au cours du processus de moulage, telles que l'installation de canaux d'air spécifiques, la combinaison avec des structures de soutien des matériaux, etc. Ces propriétés supplémentaires rendent les coques en aluminium utiles dans de nombreux systèmes et packs de batteries lithium-ion.

Revêtement

Si le système de batterie est basé sur une variété de matériaux métalliques, il convient de se demander s'il faut revêtir la surface. Il existe de nombreuses raisons et de nombreux types de revêtements. L'une des principales raisons est d'éviter les courts-circuits au contact de la terre ou des appareils et cellules électroniques ;

En d'autres termes, le revêtement agit comme une barrière pour le bloc-batterie, et cette fonction convient à une grande variété de matériaux. La technologie de revêtement la plus couramment utilisée est la fixation directe à la surface à l'aide d'un film collant, qui ne comporte qu'une seule face et peut être directement collé à la surface métallique pour obtenir certains effets d'isolation.

La deuxième méthode de revêtement est le revêtement liquide et en poudre. Ces deux revêtements protègent l'environnement plutôt que de l'isoler.

Évaluer la résistance mécanique du métal

Pour les boîtiers métalliques, la résistance mécanique du métal doit être évaluée lors de la conception du bloc-batterie. Lors du moulage d'une coque métallique, il est souvent nécessaire de renforcer la structure de la coque au moyen d'un renforcement des écrous, d'un soudage ou d'un revêtement. Le degré de renforcement peut être déterminé par une analyse par éléments finis et une simulation d'impact et de vibration.

Attention aux métaux incompatibles

Il faut faire attention à l'utilisation de métaux incompatibles, qui peuvent provoquer des réactions chimiques inattendues (comme la corrosion galvanique). Ceci est important pour le fonctionnement à long terme des systèmes électrochimiques, car le système porte une charge partielle pendant la corrosion du métal, ce qui peut nuire à la stabilité à long terme du bloc-batterie.

Encapsulation de composés

Emballages en plastique et en polymère

Certains petits blocs-batteries utilisent également des emballages en plastique. Si la structure de la batterie n'est pas nécessaire, il est probable que le bloc-batterie sera emballé à l'extérieur avec un film polymère. Par exemple, certaines batteries de véhicules hybrides et de démarrage/arrêt n'ont besoin d'être scellées que pour protéger la cellule de la batterie lithium-ion, et les exigences mécaniques pour le boîtier sont faibles.

Les batteries de plus grande taille utilisent non seulement une plus grande quantité de polymère, mais aussi un composé qui complète la matrice métallique. Par exemple, la Chevrolet Volt de General Motors utilise une résine vinylester (un type de fibre de verre) contenant de la nano-argile et de la fibre de verre 40% comme enveloppe d'emballage. En d'autres termes, la Chevrolet Volt utilise de la résine vinylester pour emballer la batterie.

Les Volt utilisent des cellules de batterie lithium-ion flexibles et des polymères dérivés du nylon BASF et du 1503-2F NAT, contenant de la fibre de verre 33% et des stabilisateurs hydrolytiques, comme cloisons d'extrémité et d'âme.

Les polymères sont également couramment utilisés dans les circuits imprimés interconnectés. Les circuits imprimés interconnectés intègrent souvent les points d'assemblage des cellules, les faisceaux de fils de contrôle de la température et de la tension, les boucles de surveillance électronique, le support mécanique des cellules et la gestion de l'aération des cellules.

En raison de sa polyvalence, la plaque en plastique à presser supermodel comportera quelques barres omnibus recouvertes de nickel ou de cuivre. Le circuit imprimé général électrique Volt utilise le polyamide comme connecteur pour la base et le boîtier, et la fibre de verre polyamide 35% comme circuit imprimé de commande.

Retardateur de flamme du polymère

Il faut également tenir compte de la résistance à la flamme des polymères utilisés dans les systèmes de batteries. Selon la norme UL-94, le retardement de la flamme comprend le sens vertical et le sens horizontal. Dans le sens vertical, le taux de retardement de la flamme est de VO-V2, et il existe également des normes de retardement de la flamme dans le sens horizontal.

Premièrement, il faut s'assurer que le polymère utilisé n'est pas facile à brûler, de sorte que la propagation de l'emballement thermique puisse être plus facilement contrôlée lorsque l'emballement thermique du cœur de la batterie au lithium-ion est incontrôlable. Si le taux de retardateur de flamme du polymère est de Vo, l'effet initial de l'emballement thermique de la batterie sur le polymère est faible et il est donc plus facile de contrôler la défaillance de la cellule.

Norme de l'ensemble de batteries

Le bloc-batterie doit tenir compte des conditions d'application de la batterie et de la position d'installation. Dans la pratique, tous les systèmes de batteries doivent répondre aux normes de protection spécifiées par la norme IEC IP. Pour les batteries de systèmes d'alimentation, l'isolation des liquides et de la poussière (IP6K9) doit être respectée. L'indice IP, qui est soumis à la norme IEC, est 1EC60529.

Le bloc-batterie doit tout d'abord être capable d'empêcher la poussière et l'intrusion physique, c'est-à-dire qu'il ne doit pas permettre à la poussière de pénétrer à l'intérieur du bloc-batterie et empêcher les objets (tels que les doigts) de pénétrer à l'intérieur du bloc-batterie.

Deuxièmement, la batterie doit avoir une bonne capacité à isoler les liquides, c'est-à-dire qu'elle doit non seulement tolérer les gouttes de liquide sur la batterie, mais aussi être totalement immergée dans le liquide ou subir une pulvérisation d'eau sans défaillance. Pour les systèmes de batterie des véhicules électriques, l'étanchéité est nécessaire pour empêcher les liquides et la poussière de pénétrer dans le bloc-batterie.

Norme IEC IP pour le bloc-batterie

La qualité de l'emballage doit répondre aux normes de la NEMA. La NEMA établit une série de normes pour les équipements électriques intérieurs et extérieurs qui sont souvent utilisés dans les systèmes de stockage d'énergie stationnaires et les réseaux électriques. De nombreux fabricants de batteries lithium-ion peut produire des matériaux d'emballage normalisés NEMA.

Pour certains petits systèmes de stockage d'énergie, il est facile de se procurer des matériaux de batteries conformes aux normes NEMA. Les normes IP de la NEMA et de la CEI sont similaires, mais les exigences de niveau de la NEMA et l'étendue de la protection sont plus larges, y compris les dommages mécaniques, le risque d'explosion et la protection contre l'humidité, les gaz corrosifs, les champignons, les oiseaux et les animaux et d'autres conditions spéciales ; la CEIIP ne protège que la poussière et les liquides.

De nombreux fabricants produisent des boîtiers conformes aux normes NEMA. Pour les dispositifs de stockage d'énergie plus petits, des boîtiers sont déjà disponibles sur le marché.

Norme relative aux batteries de l'Association américaine des fabricants de matériel électrique (Electrical Manufacturers Association of America)