Медно-никелевые биметаллические композиты в системах подключения батарей новой энергетики

Аннотация: По мере быстрого развития транспортных средств на новой энергии (NEV) и крупномасштабных систем хранения энергии (ESS) модули силовых аккумуляторов сталкиваются со все более строгими требованиями к передаче сильного тока, терморегулированию и надежности соединения. Традиционные однометаллические материалы соединений (такие как чистый никель или чистая медь) с трудом отвечают комплексным требованиям к производительности аккумуляторных блоков с высокой плотностью энергии. В этой статье систематически исследуются микроскопические межфазные характеристики, электротермические физические свойства и преимущества применения медно-никелевых биметаллических композитов при сборке многоэлементных батарей. Исследования показывают, что медно-никелевые композитные полосы и шины, изготовленные с помощью современных процессов наплавки и штамповки, обеспечивают превосходное металлургическое соединение. Они значительно снижают внутреннее сопротивление системы, одновременно прекрасно решая проблемы сварки, связанные с материалами с высокой отражающей способностью, обеспечивая идеальное решение на уровне материала для структурной стабильности и безопасности аккумуляторных блоков.

1. Введение

При сборке модулей литий-ионных аккумуляторов последовательные и параллельные соединения между элементами являются критическими факторами, определяющими выходную мощность и безопасность всей системы. В настоящее время основные соединительные материалы в отрасли сталкиваются со следующими техническими узкими местами:

• Чистый никель: Хотя он обладает превосходной стойкостью к окислению и выдающимися характеристиками точечной/лазерной сварки, его электрическое сопротивление относительно велико. В условиях сильноточного заряда/разряда разъемы из чистого никеля генерируют значительный джоулевый нагрев, что приводит не только к потерям энергии, но и к высокому риску термического выхода из-под контроля.

• Чистая медь: обладает чрезвычайно низким электрическим сопротивлением и превосходной теплопроводностью. Однако медь имеет очень низкую скорость поглощения лазерного излучения (в инфракрасном спектре) и склонна к «залипанию электрода» и ложной сварке во время традиционной контактной точечной сварки. Это приводит к низкой производительности обработки, что затрудняет непосредственное применение на крупномасштабных автоматизированных производственных линиях.

Чтобы преодолеть физические ограничения этих монометаллических материалов, медно-никелевые биметаллические композиты стали горячей точкой исследований и основным промышленным применением в области материалов для подключения батарей.

2. Микроструктура и межфазная металлургическая связь.

Основная технология медно-никелевых композитов заключается в качестве соединения двух металлических поверхностей. Современные высококачественные медно-никелевые композитные ленты обычно производятся с использованием методов холодной или горячей прокатки.

При сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) граница раздела высококачественных медно-никелевых композитов демонстрирует плотную структуру без пустот. Поскольку и медь (Cu), и никель (Ni) имеют гранецентрированную кубическую (FCC) кристаллическую решетку и очень похожие атомные радиусы, атомы двух металлов взаимно диффундируют на границе раздела под давлением и термической обработкой в ​​процессе плакирования, образуя ультратонкий переходный слой твердого раствора. Эта металлургическая связь не только придает материалу чрезвычайно высокую прочность на межслойное отслаивание, эффективно предотвращая расслоение во время последующих процессов штамповки и изгиба, но также гарантирует отсутствие дополнительного контактного сопротивления при прохождении электронов через границу раздела (т. е. достижение хорошего омического контакта).

3. Анализ основных физических свойств.

3.1. Высокая допустимая нагрузка по току и низкое внутреннее сопротивление.

В медно-никелевой биметаллической структуре базовый слой из чистой меди, на который приходится большая часть толщины, берет на себя более 85% нагрузки по току. По сравнению с контактами из чистого никеля тех же размеров использование композитной конструкции может снизить общее внутреннее сопротивление разъема более чем на 60%. Эта сверхнизкая характеристика внутреннего сопротивления значительно повышает скорость заряда и разряда аккумуляторного модуля и эффективно снижает потери в линии.

3.2 Превосходное управление температурным режимом

В аккумуляторных блоках накопление тепла является основным фактором, вызывающим несчастные случаи. Медно-никелевая биметаллическая шина использует высокую теплопроводность меди для быстрого проведения и рассеивания локализованного тепла, выделяемого клеммами элементов во время зарядки и разрядки по всей поверхности конструкции. В сочетании с жидкостной или воздушной системой охлаждения аккумуляторной батареи это значительно снижает максимальную температуру модуля и разницу температур.

3.3 Свариваемость и производительность обработки

Точно плакированный локализованный слой никеля полностью устраняет трудности сварки чистой меди. Слой никеля может стабильно поглощать энергию лазера и обеспечивать соответствующее контактное сопротивление во время контактной точечной сварки, образуя сварочный самородок. Данные испытаний показывают, что при использовании медно-никелевых композитов для точечной сварки сила натяжения сварного шва значительно превышает отраслевые стандарты. Кроме того, места сварки гладкие и без брызг, что значительно повышает производительность аккумуляторных шин с несколькими отверстиями на автоматизированных производственных линиях.

4. Применение в современной аккумуляторной технике.

Благодаря упомянутым выше превосходным комплексным характеристикам прецизионные медно-никелевые биметаллические штампованные детали по индивидуальному заказу широко применяются в следующих передовых областях:

• Аккумуляторные батареи для электромобилей (EV и HEV): служат токосъемниками и шинами для многоэлементных модулей (таких как большие цилиндрические элементы 18650, 21700 и 4680), обеспечивая виброустойчивые, сильноточные физические соединения.

• Системы хранения энергии (ESS): обеспечение стабильности соединения и чрезвычайно низкого тепловыделения в течение длительного срока службы в высоковольтных шкафах хранения энергии большой емкости.

• Легкая движущая сила и микромобильность (электрические велосипеды и электроинструменты): создание компактных и эффективных решений для проводного подключения для аккумуляторных блоков с ограниченным пространством.

5. Заключение

Благодаря оригинальному структурному дизайну и передовым процессам плакирования медно-никелевые биметаллические композиты успешно достигают идеального сочетания «высокой электро- и теплопроводности» и «высоконадежной сварки». Они преодолевают присущие монометаллическим материалам ограничения в инженерных приложениях, предоставляя огромную степень свободы для проектирования мощных аккумуляторных модулей с высокой плотностью энергии. В будущем, по мере дальнейшего повышения точности наплавки валков, развития локализованных никелевых вставок и специализированных технологий штамповки, медно-никелевые биметаллические разъемы неизбежно будут играть еще более незаменимую роль краеугольного камня в глобальной новой цепочке поставок энергии.