کامپوزیت های دو فلزی مس نیکل در سیستم های اتصال باتری های انرژی جدید

چکیده: همانطور که وسایل نقلیه انرژی جدید (NEVs) و سیستم‌های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ (ESS) به سرعت توسعه می‌یابند، ماژول‌های باتری قدرت با الزامات سختگیرانه‌تری برای انتقال جریان بالا، مدیریت حرارتی و قابلیت اطمینان اتصال مواجه هستند. مواد اتصال تک فلزی سنتی (مانند نیکل خالص یا مس خالص) برای برآورده کردن نیازهای عملکرد جامع بسته‌های باتری با چگالی بالا تلاش می‌کنند. این مقاله به طور سیستماتیک ویژگی‌های سطحی میکروسکوپی، خواص فیزیکی الکترو حرارتی، و مزایای کاربرد کامپوزیت‌های دو فلزی مس-نیکل را در مونتاژ باتری‌های چند سلولی بررسی می‌کند. تحقیقات نشان می‌دهد که نوارها و شینه‌های کامپوزیت مس-نیکل، که از طریق روکش‌های رول و فرآیندهای مهر زنی پیشرفته تولید می‌شوند، به اتصال متالورژیکی عالی دست می‌یابند. آنها به طور قابل توجهی مقاومت داخلی سیستم را کاهش می دهند و در عین حال چالش های جوشکاری مرتبط با مواد بسیار بازتابنده را به طور کامل حل می کنند و یک راه حل ایده آل در سطح مواد برای پایداری ساختاری و ایمنی بسته های باتری ارائه می دهند.

1. مقدمه

در طول مونتاژ ماژول‌های باتری لیتیوم یون، اتصالات سری و موازی بین سلول‌ها عواملی حیاتی هستند که توان خروجی و ایمنی کل سیستم را تعیین می‌کنند. در حال حاضر، مواد اصلی اتصال در صنعت با تنگناهای فنی زیر روبرو هستند:

• نیکل خالص: در حالی که دارای مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون و عملکرد برجسته جوش نقطه ای/لیزری است، مقاومت الکتریکی آن نسبتاً بالا است. در شرایط شارژ/تخلیه با جریان بالا، کانکتورهای نیکل خالص گرمایش ژول قابل توجهی ایجاد می‌کنند که نه تنها منجر به اتلاف انرژی می‌شود، بلکه منجر به خطر بالای فرار حرارتی می‌شود.

• مس خالص: دارای مقاومت الکتریکی بسیار کم و هدایت حرارتی عالی است. با این حال، مس نرخ جذب لیزر بسیار پایینی دارد (در طیف مادون قرمز) و مستعد 'چسبندگی الکترود' و جوش کاذب در طول جوشکاری نقطه‌ای مقاومتی سنتی است. این منجر به بازده پردازش پایین می‌شود و کاربرد مستقیم آن در خطوط تولید خودکار در مقیاس بزرگ را دشوار می‌کند.

برای شکستن محدودیت‌های فیزیکی این مواد تک فلزی، کامپوزیت‌های دو فلزی مس-نیکل به عنوان یک کانون تحقیقاتی و کاربرد صنعتی اصلی در زمینه مواد اتصال باتری ظاهر شده‌اند.

2. ریزساختار و پیوند متالورژیکی سطحی

فناوری اصلی کامپوزیت های مس-نیکل در کیفیت اتصال دو رابط فلزی نهفته است. نوارهای کامپوزیت مس نیکل مدرن و با کیفیت بالا معمولاً با استفاده از روکش رول سرد یا تکنیک های نورد گرم تولید می شوند.

تحت میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، رابط کامپوزیت های مس نیکل با کیفیت بالا، ویژگی متراکم و بدون خالی بودن را نشان می دهد. از آنجایی که هر دو مس (Cu) و نیکل (Ni) دارای شبکه‌های کریستالی مکعبی محور (FCC) و شعاع اتمی بسیار مشابه هستند، اتم‌های این دو فلز در سطح مشترک تحت فشار و عملیات حرارتی فرآیند روکش‌دهی به یکدیگر نفوذ می‌کنند و یک لایه انتقال محلول جامد بسیار نازک را تشکیل می‌دهند. این پیوند متالورژیکی نه تنها به مواد دارای استحکام لایه‌برداری بین لایه‌ای بسیار بالایی می‌شود - به طور موثری از لایه‌لایه شدن در طی فرآیندهای مهر زنی و خمش بعدی جلوگیری می‌کند - بلکه تضمین می‌کند که هنگام عبور الکترون‌ها از سطح مشترک (یعنی دستیابی به یک تماس اهمی خوب) مقاومت تماس اضافی ایجاد نشود.

3. تجزیه و تحلیل خواص فیزیکی هسته

3.1 ظرفیت جریان بالا و مقاومت داخلی کم

در ساختار دو فلزی مس-نیکل، لایه پایه مس خالص، که نسبت بیشتری از ضخامت را به خود اختصاص می دهد، بیش از 85 درصد از وظیفه حمل جریان را بر عهده می گیرد. در مقایسه با زبانه های نیکل خالص با همان ابعاد، اتخاذ یک ساختار ترکیبی می تواند مقاومت داخلی کلی کانکتور را بیش از 60٪ کاهش دهد. این ویژگی مقاومت داخلی بسیار کم، عملکرد C-rate شارژ و دشارژ ماژول باتری را تا حد زیادی افزایش می دهد و به طور موثر تلفات خط را کاهش می دهد.

3.2 مدیریت حرارتی برتر

در بسته های باتری قدرت، تجمع گرما عامل اصلی ایجاد حوادث ایمنی است. شینه دو فلزی مس نیکل از رسانایی حرارتی بالای مس برای هدایت و دفع سریع گرمای موضعی تولید شده توسط پایانه های سلولی در طول شارژ و تخلیه در کل سطح ساختاری استفاده می کند. در ترکیب با سیستم های خنک کننده مایع یا هوای بسته باتری، این امر به طور قابل توجهی حداکثر اختلاف دما و دمای ماژول را کاهش می دهد.

3.3 قابلیت جوشکاری و عملکرد پردازش

لایه نیکل موضعی دقیقاً پوشانده شده، مشکلات جوشکاری مس خالص را به طور کامل حل می کند. لایه نیکل می تواند انرژی لیزر را به طور پایدار جذب کند و مقاومت تماس مناسبی را در طول جوشکاری نقطه ای مقاومتی برای تولید قطعه جوش ایجاد کند. داده های آزمایش نشان می دهد که هنگام استفاده از کامپوزیت های مس-نیکل برای جوشکاری نقطه ای سلولی، نیروی کشش جوش بسیار فراتر از استانداردهای صنعتی است. علاوه بر این، نقاط جوش صاف و بدون پاشش هستند و به طور قابل توجهی نرخ بازده شین‌های باتری چند سوراخه را در خطوط تولید خودکار بهبود می‌بخشند.

4. کاربردها در مهندسی باتری مدرن

بر اساس عملکرد جامع عالی که در بالا ذکر شد، قطعات مهر شده دو فلزی دقیق مس نیکل سفارشی به طور گسترده در زمینه های پیشرفته زیر استفاده شده است:

• بسته‌های باتری برق خودروی الکتریکی (EV & HEV): به عنوان جمع‌کننده‌های جریان و باسبار برای ماژول‌های چند سلولی (مانند سلول‌های استوانه‌ای بزرگ 18650، 21700 و 4680) که اتصالات فیزیکی مقاوم در برابر لرزش و جریان بالا را ارائه می‌کنند.

• سیستم های ذخیره انرژی (ESS): تضمین پایداری اتصال و تولید حرارت بسیار کم در طول چرخه عمر طولانی در کابینت های ذخیره انرژی با ولتاژ بالا و ظرفیت بالا.

• نیروی محرکه نور و تحرک میکرو (دوچرخه های الکترونیکی و ابزارهای برقی): ارائه راه حل های اتصال رسانایی فشرده و کارآمد برای بسته های باتری با فضای محدود.

5. نتیجه گیری

از طریق طراحی ساختاری مبتکرانه و فرآیندهای روکش پیشرفته، کامپوزیت‌های دو فلزی مس-نیکل با موفقیت به یکپارچگی کامل «رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا» و «جوشکاری با قابلیت اطمینان بالا» دست می‌یابند. این کامپوزیت‌ها بر محدودیت‌های ذاتی مواد تک فلزی در کاربردهای مهندسی غلبه می‌کنند، و درجات وسیعی از طراحی باطری را فراهم می‌کنند. ماژول ها در آینده، با بهبود بیشتر دقت رول‌دهی و بلوغ داخلی نیکل داخلی و فن‌آوری‌های مهر زنی تخصصی، اتصالات دو فلزی مس-نیکل به ناچار نقش سنگ بنای غیرقابل جایگزینی بیشتری را در زنجیره تامین انرژی جدید جهانی ایفا خواهند کرد.