คอมโพสิตทองแดง-นิกเกิลไบเมทัลลิกในระบบเชื่อมต่อแบตเตอรี่พลังงานใหม่

บทคัดย่อ: ในขณะที่ยานยนต์พลังงานใหม่ (NEV) และระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่ (ESS) พัฒนาอย่างรวดเร็ว โมดูลแบตเตอรี่จ่ายไฟต้องเผชิญกับข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับการส่งกระแสสูง การจัดการความร้อน และความน่าเชื่อถือในการเชื่อมต่อ วัสดุเชื่อมต่อโลหะเดี่ยวแบบดั้งเดิม (เช่น นิกเกิลบริสุทธิ์หรือทองแดงบริสุทธิ์) พยายามดิ้นรนเพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่ครอบคลุมของชุดแบตเตอรี่ความหนาแน่นพลังงานสูง บทความนี้จะสำรวจลักษณะเฉพาะของพื้นผิวด้วยกล้องจุลทรรศน์ คุณสมบัติทางกายภาพของความร้อนและไฟฟ้า และข้อได้เปรียบในการใช้งานของคอมโพสิตทองแดง-นิกเกิลไบเมทัลลิกในการประกอบแบตเตอรี่แบบหลายเซลล์อย่างเป็นระบบ การวิจัยระบุว่าแถบคอมโพสิตทองแดง-นิกเกิลและบัสบาร์ที่ผลิตผ่านกระบวนการหุ้มและปั๊มขึ้นรูปขั้นสูง สามารถยึดเกาะทางโลหะวิทยาได้ดีเยี่ยม ลดความต้านทานภายในของระบบลงอย่างมาก ในขณะที่แก้ปัญหาการเชื่อมที่เกี่ยวข้องกับวัสดุสะท้อนแสงสูงได้อย่างสมบูรณ์แบบ มอบโซลูชันระดับวัสดุในอุดมคติสำหรับความเสถียรของโครงสร้างและความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่

1. บทนำ

ในระหว่างการประกอบโมดูลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนานระหว่างเซลล์เป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดกำลังส่งออกและความปลอดภัยของทั้งระบบ ปัจจุบัน วัสดุเชื่อมต่อกระแสหลักในอุตสาหกรรมเผชิญกับปัญหาคอขวดทางเทคนิคดังต่อไปนี้:

• นิกเกิลบริสุทธิ์: แม้ว่าจะมีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันที่ดีเยี่ยมและประสิทธิภาพการเชื่อมแบบจุด/เลเซอร์ที่โดดเด่น แต่ความต้านทานไฟฟ้าก็ค่อนข้างสูง ภายใต้สภาวะประจุ/คายประจุกระแสสูง ขั้วต่อนิกเกิลบริสุทธิ์จะสร้างความร้อนแบบจูลอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งไม่เพียงแต่นำไปสู่การสูญเสียพลังงานเท่านั้น แต่ยังมีความเสี่ยงสูงที่จะเกิดการระบายความร้อนอีกด้วย

• ทองแดงบริสุทธิ์: มีความต้านทานไฟฟ้าต่ำมากและมีค่าการนำความร้อนที่เหนือกว่า อย่างไรก็ตาม ทองแดงมีอัตราการดูดซับเลเซอร์ต่ำมาก (ในสเปกตรัมอินฟราเรด) และมีแนวโน้มที่จะ 'อิเล็กโทรดติด' และการเชื่อมผิดพลาดระหว่างการเชื่อมจุดด้วยความต้านทานแบบดั้งเดิม ส่งผลให้ผลผลิตในการประมวลผลต่ำ ทำให้ยากต่อการนำไปใช้โดยตรงในสายการผลิตอัตโนมัติขนาดใหญ่

เพื่อทำลายข้อจำกัดทางกายภาพของวัสดุโลหะเดี่ยวเหล่านี้ คอมโพสิตทองแดง-นิกเกิล ไบเมทัลลิก จึงกลายเป็นจุดสนใจในการวิจัยและการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมกระแสหลักในด้านวัสดุเชื่อมต่อแบตเตอรี่

2. โครงสร้างจุลภาคและพันธะโลหะวิทยาระหว่างผิวหน้า

เทคโนโลยีหลักของคอมโพสิตทองแดง-นิกเกิลอยู่ที่คุณภาพการยึดเกาะของส่วนต่อประสานโลหะทั้งสอง แถบคอมโพสิตทองแดง-นิกเกิลคุณภาพสูงสมัยใหม่มักผลิตขึ้นโดยใช้เทคนิคการรีดเย็นหรือเทคนิคการรีดร้อน

ภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ส่วนต่อประสานของคอมโพสิตทองแดง-นิกเกิลคุณภาพสูงแสดงคุณลักษณะที่หนาแน่นและปราศจากช่องว่าง เนื่องจากทั้งทองแดง (Cu) และนิกเกิล (Ni) มีโครงผลึกลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางหน้า (FCC) และรัศมีอะตอมที่คล้ายกันมาก อะตอมของโลหะทั้งสองจะกระจายตัวกันที่ส่วนต่อประสานภายใต้แรงดันและการบำบัดความร้อนของกระบวนการหุ้ม ทำให้เกิดชั้นการเปลี่ยนผ่านของสารละลายของแข็งบางพิเศษ นี้ พันธะทางโลหะวิทยา ไม่เพียงแต่ทำให้วัสดุมีความแข็งแรงการลอกระหว่างชั้นที่สูงมากเท่านั้น—ป้องกันการหลุดล่อนอย่างมีประสิทธิภาพในระหว่างกระบวนการปั๊มและการดัดงอในภายหลัง—แต่ยังรับประกันว่าจะไม่มีการสร้างความต้านทานการสัมผัสเพิ่มเติมเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านส่วนต่อประสาน (นั่นคือ ได้การสัมผัสแบบโอห์มมิกที่ดี)

3. การวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพของแกนกลาง

3.1 ความจุกระแสสูงและความต้านทานภายในต่ำ

ในโครงสร้างทองแดง-นิกเกิล ไบเมทัลลิก ชั้นฐานทองแดงบริสุทธิ์ซึ่งมีสัดส่วนความหนามากกว่า ทำหน้าที่รับกระแสไฟฟ้ามากกว่า 85% เมื่อเปรียบเทียบกับแถบนิกเกิลบริสุทธิ์ที่มีขนาดเท่ากัน การใช้โครงสร้างคอมโพสิตสามารถลดความต้านทานภายในโดยรวมของขั้วต่อได้มากกว่า 60% คุณลักษณะความต้านทานภายในต่ำพิเศษนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จและคายประจุ C-rate ของโมดูลแบตเตอรี่อย่างมาก และลดการสูญเสียสายได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3.2 การจัดการระบายความร้อนที่เหนือกว่า

ในชุดแบตเตอรี่จ่ายไฟ การสะสมความร้อนเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดอุบัติเหตุด้านความปลอดภัย บัสบาร์ทองแดง-นิกเกิล Bimetallic ใช้การนำความร้อนสูงของทองแดงเพื่อนำความร้อนและกระจายความร้อนเฉพาะจุดที่สร้างโดยขั้วเซลล์อย่างรวดเร็วในระหว่างการชาร์จและการคายประจุทั่วทั้งพื้นผิวโครงสร้างทั้งหมด เมื่อใช้ร่วมกับระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวหรืออากาศของชุดแบตเตอรี่ จะช่วยลดอุณหภูมิสูงสุดและความแตกต่างของอุณหภูมิของโมดูลลงได้อย่างมาก

3.3 ความสามารถในการเชื่อมและประสิทธิภาพการประมวลผล

ชั้นนิกเกิลที่หุ้มอย่างแม่นยำช่วยแก้ไขปัญหาการเชื่อมทองแดงบริสุทธิ์ได้อย่างสมบูรณ์ ชั้นนิกเกิลสามารถดูดซับพลังงานเลเซอร์ได้อย่างเสถียรและให้ความต้านทานการสัมผัสที่เหมาะสมระหว่างการเชื่อมจุดต้านทานเพื่อสร้างนักเชื่อม ข้อมูลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้คอมโพสิตทองแดง-นิกเกิลสำหรับการเชื่อมจุดเซลล์ แรงดึงในการเชื่อมนั้นเกินกว่ามาตรฐานอุตสาหกรรมมาก นอกจากนี้ จุดเชื่อมยังเรียบลื่นและไม่กระเด็น ช่วยเพิ่มอัตราผลผลิตของบัสบาร์แบตเตอรี่แบบหลายรูในสายการผลิตอัตโนมัติได้อย่างมาก

4. การประยุกต์ในวิศวกรรมแบตเตอรี่สมัยใหม่

จากประสิทธิภาพที่ครอบคลุมที่ยอดเยี่ยมดังที่กล่าวข้างต้น ชิ้นส่วนประทับตราทองแดง-นิกเกิล bimetallic ที่มีความแม่นยำแบบกำหนดเองได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาที่ทันสมัยต่อไปนี้:

• ชุดแบตเตอรี่กำลังรถยนต์ไฟฟ้า (EV และ HEV): ทำหน้าที่เป็นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าและบัสบาร์สำหรับโมดูลหลายเซลล์ (เช่น 18650, 21700 และ 4680 เซลล์ทรงกระบอกขนาดใหญ่) ให้การเชื่อมต่อทางกายภาพที่ทนทานต่อการสั่นสะเทือนและมีกระแสไฟสูง

• ระบบกักเก็บพลังงาน (ESS): รับประกันความเสถียรในการเชื่อมต่อและการสร้างความร้อนต่ำมากตลอดวงจรชีวิตที่ยาวนานในตู้เก็บพลังงานไฟฟ้าแรงสูงและความจุขนาดใหญ่

• Light Motive Power และ Micro-Mobility (จักรยานไฟฟ้าและเครื่องมือไฟฟ้า): มอบโซลูชันการเชื่อมต่อแบบนำไฟฟ้าขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสำหรับชุดแบตเตอรี่ที่มีพื้นที่จำกัด

5. บทสรุป

ด้วยการออกแบบโครงสร้างอันชาญฉลาดและกระบวนการหุ้มขั้นสูง คอมโพสิตทองแดง-นิกเกิลไบเมทัลลิกประสบความสำเร็จในการบรรลุการผสมผสานที่สมบูรณ์แบบของ 'การนำไฟฟ้าและความร้อนสูง' และ 'การเชื่อมที่มีความน่าเชื่อถือสูง' เอาชนะข้อจำกัดโดยธรรมชาติของวัสดุโลหะเดี่ยวในการใช้งานทางวิศวกรรม โดยให้อิสระในระดับที่กว้างใหญ่สำหรับการออกแบบโมดูลแบตเตอรี่พลังงานสูงความหนาแน่นพลังงานสูง ในอนาคต ด้วยการปรับปรุงความแม่นยำในการหุ้มม้วนและการสุกของการฝังนิกเกิลเฉพาะจุดและเทคโนโลยีการปั๊มแบบพิเศษ ตัวเชื่อมต่อทองแดง-นิกเกิลโลหะคู่จะมีบทบาทสำคัญที่ไม่อาจทดแทนได้มากขึ้นในห่วงโซ่อุปทานพลังงานใหม่ทั่วโลกอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้