نوارهای نیکل عملکردهای اصلی مانند اتصال الکتریکی، پشتیبانی ساختاری و حفاظت ایمنی در باتری‌های وسایل نقلیه انرژی نو (به ویژه باتری‌های قدرت) را ایفا می‌کنند. عملکرد آن‌ها مستقیماً بر قابلیت اطمینان، عمر و ایمنی باتری تأثیر می‌گذارد. در ادامه یک تجزیه و تحلیل دقیق از دو جنبه ارائه شده است: سناریوهای کاربردی خاص و الزامات فنی:
I. کاربرد خاص نوارهای نیکل در باتری‌های وسایل نقلیه انرژی نو
1. اتصال الکتریکی بین سلول‌های باتری: جوشکاری زبانه الکترود و شینه
سناریوی کاربردی:
اتصال زبانه های الکترود مثبت و منفی (زبانه های آلومینیومی مثبت، زبانه های مسی منفی) یک سلول باتری منفرد با شینه در ماژول برای تشکیل یک مسیر جریان.
نمونه موردی: در ماژول باتری 4680 تسلا، نوارهای نیکل زبانه های سلول باتری را از طریق جوش لیزری به شینه های فولادی ضد زنگ متصل می کنند و از جریان تخلیه مداوم تا 150 آمپر پشتیبانی می کنند.
نقش اصلی:
کاهش مقاومت تماسی (هدف < 2mΩ)، کاهش تلفات انرژی و بهبود راندمان باتری.
توزیع چگالی جریان برای جلوگیری از گرم شدن موضعی زبانه ها (مانند کنترل دما در ≤80℃ در هنگام شارژ سریع).
2. تثبیت ساختار ماژول و بافر تنش
سناریوهای کاربردی:
به عنوان یک قطعه اتصال بین سلول ها، موقعیت سلول با جوش نقطه ای یا جوش لیزری ثابت می شود که معمولاً در باتری های پوسته آلومینیومی مربعی (مانند ماژول های CATL CTP) و باتری های نرم (مانند باتری های کیسه ای LG New Energy) استفاده می شود.
عملکرد اصلی:
جذب انبساط حجمی سلول در هنگام شارژ و دشارژ (حدود 10٪ تا 15٪) برای جلوگیری از شکستن زبانه یا سوراخ شدن دیافراگم.
پشتیبانی مکانیکی را برای اطمینان از پایداری ساختاری ماژول تحت لرزش (مانند رانندگی ناهموار خودرو، فرکانس لرزش 5 تا 2000 هرتز) فراهم کنید.
3. اجزای حفاظت ایمنی: تسمه فیوز و حفاظت از جریان بیش از حد
سناریوهای کاربردی:
به عنوان یک تسمه نیکل فیوزی (مانند یک ساختار نازک یا توخالی محلی) طراحی شده است که به صورت سری در مدار باتری متصل می شود.
عملکرد اصلی:
هنگامی که جریان از آستانه فراتر رود (مانند جریان اتصال کوتاه > 500A)، تسمه نیکل قبل از سلول ذوب می شود، مدار را قطع می کند و از فرار حرارتی جلوگیری می کند.
زمان پاسخگویی باید در عرض 10 میلی‌ثانیه کنترل شود و مقاومت عایق پس از ذوب باید ≥100MΩ باشد تا ایمنی تضمین شود.
4. ادغام سیستم مدیریت حرارتی
سناریوهای کاربردی:
به عنوان یک واسطه انتقال حرارت، گرمای سلول باتری را به صفحه خنک کننده آب یا پوسته ماژول منتقل می کند و همراه با گریس سیلیکونی رسانای حرارتی استفاده می شود.
عملکرد اصلی:
هدایت حرارتی باید ≥90W/(m・K) باشد و هدف این است که اختلاف دما بین سلول های باتری را به ≤2℃ کنترل کرد تا از افت ظرفیت ناشی از گرم شدن موضعی جلوگیری شود.
برخی از نوارهای نیکل به عنوان ساختارهای میکروکانال طراحی شده اند و در لوله های خنک کننده مایع تعبیه شده اند تا راندمان اتلاف حرارت را بهبود بخشند (مانند راه حل خنک کننده غیرمستقیم باتری های تیغه ای BYD).
5. الزامات فرآیند و قابلیت اطمینان
دقت ابعادی: تلرانس ضخامت ±5٪ (مانند 0.1 میلی متر نوار نیکل تلرانس ±0.005 میلی متر)، تلرانس عرض ±0.1 میلی متر، برای اطمینان از سازگاری تجهیزات جوشکاری خودکار.
کیفیت سطح:
زبری Ra≤1.6μm، از سوراخ شدن دیافراگم توسط پلیسه ها خودداری کنید;
بدون رنگ اکسیداسیون، لکه های روغن، سطح جوشکاری باید با آلیاژ نیکل-فسفر آبکاری شود (ضخامت آبکاری 2 تا 5 میکرومتر) تا قابلیت اطمینان جوشکاری بهبود یابد.
قابلیت ردیابی: شماره دسته، ترکیب شیمیایی (Ni≥99.5٪، ناخالصی ها Fe≤0.1٪، Cu≤0.05٪) و داده های خواص مکانیکی نوار نیکل باید ثبت شود تا الزامات سیستم مدیریت کیفیت IATF 16949 را برآورده کند.
II. چالش های فنی و راه حل های معمولی
1. الزامات فوق العاده نازک تحت چگالی انرژی بالا
چالش: به منظور افزایش چگالی انرژی بسته باتری (هدف ≥300Wh/kg)، ضخامت نوار نیکل باید از 0.15 میلی متر به کمتر از 0.08 میلی متر کاهش یابد، اما به راحتی باعث کاهش استحکام می شود.
راه حل:
از فرآیند نورد سرد + بازپخت برای بهبود استحکام و شکل پذیری از طریق ریز کردن دانه ها (اندازه متوسط دانه ≤10μm) استفاده کنید.
نوار کامپوزیت نیکل-گرافن را توسعه دهید. 5٪ محتوای گرافن می تواند مقاومت کششی را 30٪ افزایش دهد، در حالی که رسانایی را بالای 95٪ حفظ می کند.
2. بهینه سازی اتلاف حرارت در سناریوهای شارژ سریع
چالش: در طول شارژ فوق سریع 480 کیلووات، دمای نقطه اتصال نوار نیکل ممکن است از 150 درجه سانتیگراد تجاوز کند که منجر به اکسیداسیون نیکل یا خرابی اتصال لحیم می شود.
راه حل:
نقره اندود (ضخامت 1 تا 2 میکرومتر) روی سطح نوار نیکل رسانایی حرارتی را به 420W/(m・K) افزایش می دهد و راندمان اتلاف حرارت 50٪ افزایش می یابد.
یک ساختار نوار نیکل اینتردیجیتال طراحی کنید تا سطح اتلاف حرارت را افزایش دهید و با خنک کننده مایع میکروکانال همکاری کنید تا دمای نقطه داغ را بیش از 20 درجه سانتیگراد کاهش دهید.
3. فناوری ضد خوردگی تحت الزامات طول عمر
چالش: در باتری هایی با عمر چرخه ≥3000 بار، خوردگی بین دانه ای ممکن است زمانی رخ دهد که نوار نیکل در تماس طولانی مدت با الکترولیت باشد.
راه حل:
از فناوری نیکل اندود خلاء برای تشکیل یک پوشش نیکل خالص غیر متخلخل (ضخامت ≥3 میکرومتر) برای جلوگیری از نفوذ الکترولیت استفاده کنید.
یک فرآیند بهبود فیلم غیرفعال سازی را توسعه دهید، ضخامت فیلم NiO را از 5 نانومتر به 20 نانومتر از طریق اکسیداسیون الکترولیتی افزایش دهید و سرعت خوردگی را به 0.01 میکرومتر در سال کاهش دهید.
III. روند فناوری آینده
نوآوری مواد:
نوار نیکل نانوکریستالی (اندازه دانه < 100 نانومتر): استحکام به 800 مگاپاسکال افزایش یافت، در حالی که 25٪ ازدیاد طول را حفظ کرد، با مشخصات نازک تر (زیر 0.05 میلی متر) سازگار است.
نوار کامپوزیت نانولوله کربنی نیکل: رسانایی به 6.5×10⁷ S/m افزایش یافت و الزامات امپدانس کم پلت فرم ولتاژ بالا 800 ولت را برآورده می کند.
ارتقاء فرآیند:
جوشکاری اولتراسونیک هوشمند: نظارت بر توان و دامنه جوشکاری در زمان واقعی از طریق الگوریتم های هوش مصنوعی، افزایش بازده اتصال لحیم از 95٪ به 99.5٪.
ساخت افزودنی نوار نیکل: چاپ سه بعدی نوارهای نیکل با ساختار پیچیده (مانند کانال های اتلاف حرارت مارپیچی) برای انطباق با طرح های ماژول باتری با شکل خاص.
توسعه پایدار:
نوار نیکل بدون الکترولیت را توسعه دهید: لایه نیکل را مستقیماً روی سطح بستر مسی از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD) تولید کنید تا آلودگی فاضلاب کاهش یابد.
سیستم بازیافت نوار نیکل را بهبود بخشید: از فناوری گرمایش القایی الکترومغناطیسی برای جداسازی بدون تلفات نوار نیکل و سلول باتری استفاده کنید و نرخ بازیابی مواد هدف ≥98٪ است.
خلاصه
نوار نیکل یک جزء اصلی "نامرئی اما حیاتی" در باتری های وسایل نقلیه انرژی نو است و عملکرد آن باید الزامات سختگیرانه ابعاد متعدد مانند الکتریکی، مکانیکی و محیطی را برآورده کند. با توسعه پلت فرم ولتاژ بالا 800 ولت، فناوری شارژ فوق سریع و باتری های حالت جامد، نوار نیکل در جهت فوق العاده نازک، استحکام بالا و ادغام عملکرد تکرار می شود و به پشتیبانی از پیشرفت ها در فناوری باتری قدرت ادامه می دهد. نوآوری مشترک بین شرکت های خودروسازی و تولیدکنندگان مواد (مانند تحقیق و توسعه مشترک نوار نیکل توسط CATL و Baosteel Metal) به یک نیروی محرکه کلیدی برای پیشرفت صنعت تبدیل خواهد شد.
نوارهای نیکل عملکردهای اصلی مانند اتصال الکتریکی، پشتیبانی ساختاری و حفاظت ایمنی در باتری‌های وسایل نقلیه انرژی نو (به ویژه باتری‌های قدرت) را ایفا می‌کنند. عملکرد آن‌ها مستقیماً بر قابلیت اطمینان، عمر و ایمنی باتری تأثیر می‌گذارد. در ادامه یک تجزیه و تحلیل دقیق از دو جنبه ارائه شده است: سناریوهای کاربردی خاص و الزامات فنی:
I. کاربرد خاص نوارهای نیکل در باتری‌های وسایل نقلیه انرژی نو
1. اتصال الکتریکی بین سلول‌های باتری: جوشکاری زبانه الکترود و شینه
سناریوی کاربردی:
اتصال زبانه های الکترود مثبت و منفی (زبانه های آلومینیومی مثبت، زبانه های مسی منفی) یک سلول باتری منفرد با شینه در ماژول برای تشکیل یک مسیر جریان.
نمونه موردی: در ماژول باتری 4680 تسلا، نوارهای نیکل زبانه های سلول باتری را از طریق جوش لیزری به شینه های فولادی ضد زنگ متصل می کنند و از جریان تخلیه مداوم تا 150 آمپر پشتیبانی می کنند.
نقش اصلی:
کاهش مقاومت تماسی (هدف < 2mΩ)، کاهش تلفات انرژی و بهبود راندمان باتری.
توزیع چگالی جریان برای جلوگیری از گرم شدن موضعی زبانه ها (مانند کنترل دما در ≤80℃ در هنگام شارژ سریع).
2. تثبیت ساختار ماژول و بافر تنش
سناریوهای کاربردی:
به عنوان یک قطعه اتصال بین سلول ها، موقعیت سلول با جوش نقطه ای یا جوش لیزری ثابت می شود که معمولاً در باتری های پوسته آلومینیومی مربعی (مانند ماژول های CATL CTP) و باتری های نرم (مانند باتری های کیسه ای LG New Energy) استفاده می شود.
عملکرد اصلی:
جذب انبساط حجمی سلول در هنگام شارژ و دشارژ (حدود 10٪ تا 15٪) برای جلوگیری از شکستن زبانه یا سوراخ شدن دیافراگم.
پشتیبانی مکانیکی را برای اطمینان از پایداری ساختاری ماژول تحت لرزش (مانند رانندگی ناهموار خودرو، فرکانس لرزش 5 تا 2000 هرتز) فراهم کنید.
3. اجزای حفاظت ایمنی: تسمه فیوز و حفاظت از جریان بیش از حد
سناریوهای کاربردی:
به عنوان یک تسمه نیکل فیوزی (مانند یک ساختار نازک یا توخالی محلی) طراحی شده است که به صورت سری در مدار باتری متصل می شود.
عملکرد اصلی:
هنگامی که جریان از آستانه فراتر رود (مانند جریان اتصال کوتاه > 500A)، تسمه نیکل قبل از سلول ذوب می شود، مدار را قطع می کند و از فرار حرارتی جلوگیری می کند.
زمان پاسخگویی باید در عرض 10 میلی‌ثانیه کنترل شود و مقاومت عایق پس از ذوب باید ≥100MΩ باشد تا ایمنی تضمین شود.
4. ادغام سیستم مدیریت حرارتی
سناریوهای کاربردی:
به عنوان یک واسطه انتقال حرارت، گرمای سلول باتری را به صفحه خنک کننده آب یا پوسته ماژول منتقل می کند و همراه با گریس سیلیکونی رسانای حرارتی استفاده می شود.
عملکرد اصلی:
هدایت حرارتی باید ≥90W/(m・K) باشد و هدف این است که اختلاف دما بین سلول های باتری را به ≤2℃ کنترل کرد تا از افت ظرفیت ناشی از گرم شدن موضعی جلوگیری شود.
برخی از نوارهای نیکل به عنوان ساختارهای میکروکانال طراحی شده اند و در لوله های خنک کننده مایع تعبیه شده اند تا راندمان اتلاف حرارت را بهبود بخشند (مانند راه حل خنک کننده غیرمستقیم باتری های تیغه ای BYD).
5. الزامات فرآیند و قابلیت اطمینان
دقت ابعادی: تلرانس ضخامت ±5٪ (مانند 0.1 میلی متر نوار نیکل تلرانس ±0.005 میلی متر)، تلرانس عرض ±0.1 میلی متر، برای اطمینان از سازگاری تجهیزات جوشکاری خودکار.
کیفیت سطح:
زبری Ra≤1.6μm، از سوراخ شدن دیافراگم توسط پلیسه ها خودداری کنید;
بدون رنگ اکسیداسیون، لکه های روغن، سطح جوشکاری باید با آلیاژ نیکل-فسفر آبکاری شود (ضخامت آبکاری 2 تا 5 میکرومتر) تا قابلیت اطمینان جوشکاری بهبود یابد.
قابلیت ردیابی: شماره دسته، ترکیب شیمیایی (Ni≥99.5٪، ناخالصی ها Fe≤0.1٪، Cu≤0.05٪) و داده های خواص مکانیکی نوار نیکل باید ثبت شود تا الزامات سیستم مدیریت کیفیت IATF 16949 را برآورده کند.
II. چالش های فنی و راه حل های معمولی
1. الزامات فوق العاده نازک تحت چگالی انرژی بالا
چالش: به منظور افزایش چگالی انرژی بسته باتری (هدف ≥300Wh/kg)، ضخامت نوار نیکل باید از 0.15 میلی متر به کمتر از 0.08 میلی متر کاهش یابد، اما به راحتی باعث کاهش استحکام می شود.
راه حل:
از فرآیند نورد سرد + بازپخت برای بهبود استحکام و شکل پذیری از طریق ریز کردن دانه ها (اندازه متوسط دانه ≤10μm) استفاده کنید.
نوار کامپوزیت نیکل-گرافن را توسعه دهید. 5٪ محتوای گرافن می تواند مقاومت کششی را 30٪ افزایش دهد، در حالی که رسانایی را بالای 95٪ حفظ می کند.
2. بهینه سازی اتلاف حرارت در سناریوهای شارژ سریع
چالش: در طول شارژ فوق سریع 480 کیلووات، دمای نقطه اتصال نوار نیکل ممکن است از 150 درجه سانتیگراد تجاوز کند که منجر به اکسیداسیون نیکل یا خرابی اتصال لحیم می شود.
راه حل:
نقره اندود (ضخامت 1 تا 2 میکرومتر) روی سطح نوار نیکل رسانایی حرارتی را به 420W/(m・K) افزایش می دهد و راندمان اتلاف حرارت 50٪ افزایش می یابد.
یک ساختار نوار نیکل اینتردیجیتال طراحی کنید تا سطح اتلاف حرارت را افزایش دهید و با خنک کننده مایع میکروکانال همکاری کنید تا دمای نقطه داغ را بیش از 20 درجه سانتیگراد کاهش دهید.
3. فناوری ضد خوردگی تحت الزامات طول عمر
چالش: در باتری هایی با عمر چرخه ≥3000 بار، خوردگی بین دانه ای ممکن است زمانی رخ دهد که نوار نیکل در تماس طولانی مدت با الکترولیت باشد.
راه حل:
از فناوری نیکل اندود خلاء برای تشکیل یک پوشش نیکل خالص غیر متخلخل (ضخامت ≥3 میکرومتر) برای جلوگیری از نفوذ الکترولیت استفاده کنید.
یک فرآیند بهبود فیلم غیرفعال سازی را توسعه دهید، ضخامت فیلم NiO را از 5 نانومتر به 20 نانومتر از طریق اکسیداسیون الکترولیتی افزایش دهید و سرعت خوردگی را به 0.01 میکرومتر در سال کاهش دهید.
III. روند فناوری آینده
نوآوری مواد:
نوار نیکل نانوکریستالی (اندازه دانه < 100 نانومتر): استحکام به 800 مگاپاسکال افزایش یافت، در حالی که 25٪ ازدیاد طول را حفظ کرد، با مشخصات نازک تر (زیر 0.05 میلی متر) سازگار است.
نوار کامپوزیت نانولوله کربنی نیکل: رسانایی به 6.5×10⁷ S/m افزایش یافت و الزامات امپدانس کم پلت فرم ولتاژ بالا 800 ولت را برآورده می کند.
ارتقاء فرآیند:
جوشکاری اولتراسونیک هوشمند: نظارت بر توان و دامنه جوشکاری در زمان واقعی از طریق الگوریتم های هوش مصنوعی، افزایش بازده اتصال لحیم از 95٪ به 99.5٪.
ساخت افزودنی نوار نیکل: چاپ سه بعدی نوارهای نیکل با ساختار پیچیده (مانند کانال های اتلاف حرارت مارپیچی) برای انطباق با طرح های ماژول باتری با شکل خاص.
توسعه پایدار:
نوار نیکل بدون الکترولیت را توسعه دهید: لایه نیکل را مستقیماً روی سطح بستر مسی از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD) تولید کنید تا آلودگی فاضلاب کاهش یابد.
سیستم بازیافت نوار نیکل را بهبود بخشید: از فناوری گرمایش القایی الکترومغناطیسی برای جداسازی بدون تلفات نوار نیکل و سلول باتری استفاده کنید و نرخ بازیابی مواد هدف ≥98٪ است.
خلاصه
نوار نیکل یک جزء اصلی "نامرئی اما حیاتی" در باتری های وسایل نقلیه انرژی نو است و عملکرد آن باید الزامات سختگیرانه ابعاد متعدد مانند الکتریکی، مکانیکی و محیطی را برآورده کند. با توسعه پلت فرم ولتاژ بالا 800 ولت، فناوری شارژ فوق سریع و باتری های حالت جامد، نوار نیکل در جهت فوق العاده نازک، استحکام بالا و ادغام عملکرد تکرار می شود و به پشتیبانی از پیشرفت ها در فناوری باتری قدرت ادامه می دهد. نوآوری مشترک بین شرکت های خودروسازی و تولیدکنندگان مواد (مانند تحقیق و توسعه مشترک نوار نیکل توسط CATL و Baosteel Metal) به یک نیروی محرکه کلیدی برای پیشرفت صنعت تبدیل خواهد شد.
