Испытание термосварки литиевых пакетных ячеек: обеспечение целостности алюминиевого ламината для безопасности батарей

Литий-ионная пакетная ячейка заключает катод, анод, сепаратор и электролит (LiPF6 в органических карбонатных растворителях) в плёнку из алюминиево-пластикового ламината, сваренную по периметру. Нарушение шва создаёт несколько механизмов отказа: (1) утечка электролита -- испарение растворителя и гидролиз LiPF6 с образованием HF, корродирующего металлические контакты; (2) проникновение влаги -- вода реагирует с LiPF6, образуя HF и LiOH, что вызывает деградацию катода; (3) проникновение кислорода -- окисление электролита и катода; (4) в худшем случае нарастание давления от газовыделения приводит к вздутию ячейки и, в редких случаях, к тепловому разгону. Испытание термосварки выявляет ненадлежащие швы до завершения сборки ячейки.

Минимальная прочность шва >=22,5 Н/15мм для алюминиевого ламината литиевых пакетных ячеек указана в материальных спецификациях множества производителей ячеек и согласуется с китайскими стандартами GB/T для мягкоупакованных литиевых батарей. Это значение представляет минимальную прочность, необходимую для поддержания целостности шва при механических нагрузках в процессе обработки ячейки, сборки модуля и термоциклирования в течение срока службы. Целевая температура сварки для большинства коммерческих марок алюминиевого ламината (структура нейлон/алюминий/PP) составляет 195--205°C. Градиентный тестер STH-5 характеризует полную кривую вокруг спецификационной температуры за один прогон.

Верхние швы пакетных ячеек (где электродные выводы выходят из корпуса) сложнее конструктивно и более подвержены отказам, чем боковые. Верхний шов включает сварку алюминиевого ламината вокруг электродного вывода -- полипропиленовой или никелевой полосы, создающей перепад толщины в зоне шва. Отраслевая практика требует раздельного испытания верхних и боковых швов. Образцы верхнего шва вырезаются перпендикулярно выводу, при этом оценивается также целостность клеевой ленты вывода. Боковые швы испытываются как стандартный шов плёнка к плёнке. Спецификация >=22,5 Н/15мм обычно применяется к обеим геометриям, однако верхние швы нередко показывают более низкие значения из-за зоны вывода, что требует отдельной оптимизации процесса.

Для квалификации нового алюминиевого ламината или разработки технологического процесса рекомендуется градиентный подход STH-5: задайте градиент от 180°C до 220°C с шагом 10°C (5 позиций: 180/190/200/210/220°C). Зафиксируйте давление и время выдержки (2--3 секунды для стандартных марок). После кондиционирования (в аккумуляторных лабораториях обычно применяется сокращённое время -- 1 час при 23°C) испытайте каждую секцию по ASTM F88 при угле отслаивания 90° или 180°. Полученная кривая определяет SIT (первая температура, обеспечивающая >=22,5 Н/15мм), рабочее окно и верхнюю температуру деградации.

ASTM F88 -- базовый стандарт измерения прочности шва, применимый во всём мире. Китайские стандарты GB/T 31485 (тяговые аккумуляторы для электротранспорта) и GB/T 36276 (накопители энергии) содержат требования к целостности упаковки, согласующиеся со спецификацией >=22,5 Н/15мм. IEC 62133-2 (портативные герметичные вторичные элементы) и IEC 62619 (стационарные вторичные элементы) включают требования к целостности упаковки ячеек; данные прочности шва по ASTM F88 удовлетворяют компонент физической верификации. Для автомобильных аккумуляторных блоков (IEC 62660, GB/T 31486) целостность шва на уровне пакетной ячейки является частью процесса квалификации.