要約: 新エネルギー車 (NEV) と大規模エネルギー貯蔵システム (ESS) が急速に発展するにつれて、パワーバッテリーモジュールは、大電流伝送、熱管理、および接続信頼性に対するますます厳しい要件に直面しています。従来の単一金属接続材料 (純ニッケルや純銅など) は、高エネルギー密度のバッテリー パックの総合的な性能要求を満たすのに苦労しています。この論文では、銅ニッケルバイ金属複合材料の微視的な界面特性、電気熱物理的特性、およびマルチセル電池アセンブリにおける応用利点を系統的に調査しています。研究によると、高度なロールクラッディングおよびスタンピングプロセスを通じて製造された銅ニッケル複合ストリップおよびバスバーは、優れた冶金学的接合を実現しています。これらは、システムの内部抵抗を大幅に低減しながら、高反射材料に伴う溶接の課題を完全に解決し、バッテリーパックの構造安定性と安全性のための理想的な材料レベルのソリューションを提供します。
リチウムイオン電池モジュールの組み立て中、セル間の直列接続と並列接続は、システム全体の出力と安全性を決定する重要な要素です。現在、業界で主流の接続材料は、次のような技術的なボトルネックに直面しています。
純ニッケル： 優れた耐酸化性と優れたスポット/レーザー溶接性能を誇りますが、電気抵抗率は比較的高くなります。高電流の充放電条件下では、純ニッケル コネクタは重大なジュール発熱を発生し、エネルギー損失だけでなく、熱暴走の高いリスクにもつながります。
純銅: 極めて低い電気抵抗率と優れた熱伝導率を備えています。ただし、銅のレーザー吸収率 (赤外スペクトルにおける) は非常に低く、従来の抵抗スポット溶接では「電極の固着」や誤溶接が発生しやすいです。このため、処理歩留まりが低くなり、大規模な自動生産ラインに直接適用することが困難になります。
これらの単一金属材料の物理的限界を打破するために、銅とニッケルのバイメタル複合材料が研究のホットスポットとして、また電池接続材料の分野における主流の産業用途として浮上しています。
銅ニッケル複合材料の中核技術は、2 つの金属界面の接合品質にあります。最新の高品質銅ニッケル複合ストリップは、通常、冷間圧延クラッドまたは熱間圧延技術を使用して製造されます。
走査型電子顕微鏡 (SEM) では、高品質の銅とニッケルの複合材料の界面は緻密でボイドのない特性を示します。銅 (Cu) とニッケル (Ni) はどちらも面心立方晶 (FCC) 結晶格子を持ち、原子半径が非常に似ているため、クラッド プロセスの圧力と熱処理により 2 つの金属の原子が界面で相互拡散し、極薄の固溶体遷移層を形成します。この 冶金的結合 により、材料に非常に高い層間剥離強度が与えられ、後続のスタンピングや曲げプロセスでの層間剥離が効果的に防止されるだけでなく、電子が界面を通過するときに追加の接触抵抗が発生しないことも保証されます（つまり、良好なオーム接触が達成されます）。
銅とニッケルのバイメタル構造では、厚さの大部分を占める純銅のベース層が、通電タスクの 85% 以上を引き受けます。同寸法の純ニッケルタブと比較して、複合構造の採用によりコネクタ全体の内部抵抗を60%以上低減できます。この超低内部抵抗特性により、バッテリー モジュールの充放電 C レート性能が大幅に向上し、ライン損失が効果的に低減されます。
パワーバッテリーパックでは、熱の蓄積が安全上の事故を引き起こす中心的な要因となります。銅ニッケルバイメタルバスバーは、銅の高い熱伝導率を利用して、充電および放電中にセル端子によって発生する局所的な熱を構造表面全体に急速に伝導および放散します。バッテリーパックの水冷または空冷システムと組み合わせることで、モジュールの最大温度と温度差が大幅に低下します。
局所的に精密にクラッドされたニッケル層により、純銅の溶接の困難さが完全に解決されます。ニッケル層は、レーザーエネルギーを安定して吸収し、溶接ナゲットを生成する抵抗スポット溶接中に適切な接触抵抗を提供します。テストデータによると、セルのスポット溶接に銅とニッケルの複合材料を使用すると、溶接引張力が業界標準をはるかに上回ります。さらに、溶接箇所は滑らかでスパッタが発生しないため、自動生産ラインでの多穴バッテリーバスバーの歩留まりが大幅に向上します。
上記の優れた総合性能に基づいて、カスタマイズされた精密銅ニッケルバイメタルプレス部品は、以下の最先端分野で広く使用されています。
電気自動車 (EV および HEV) 電源バッテリー パック: マルチセル モジュール (18650、21700、および 4680 の大型円筒形セルなど) の集電装置およびバスバーとして機能し、耐振動性、高電流の物理接続を提供します。
エネルギー貯蔵システム (ESS): 高電圧、大容量のエネルギー貯蔵キャビネットにおいて、長いライフサイクルにわたって接続の安定性と極めて低い発熱を確保します。
光動力とマイクロモビリティ (電動自転車と電動工具): スペースに制約のあるバッテリー パックにコンパクトで効率的な導電接続ソリューションを提供します。
独創的な構造設計と高度なクラッディングプロセスを通じて、銅ニッケルバイメタル複合材料は、「高い電気伝導性と熱伝導性」、および「高信頼性溶接」の完全な統合を実現します。これにより、エンジニアリング用途における単一金属材料の固有の制限が克服され、高エネルギー密度、高出力バッテリーモジュールの設計に大きな自由度が提供されます。将来的には、ロールクラッドの精度がさらに向上し、局所的なニッケルインレイと特殊なスタンピング技術が成熟することで、銅ニッケルバイメタルコネクタが世界の新エネルギーサプライチェーンにおいてさらにかけがえのない基礎的な役割を果たすことは避けられません。
