Из личной практики: как собрать литий-ионные ячейки в единую аккумуляторную батарею?

Аккумуляторные батареи (АКБ), состоящие из множества отдельных аккумуляторных ячеек, используют в накопителях электроэнергии – как домашних, так и промышленных, в ИБП и индустрии машиностроения – для электромобилей. К сферам применения АКБ можно отнести практически все электротехнические устройства, которые должны работать автономно.

Разобрав электросамокат, можно обнаружить в нем аккумуляторную батарею из похожих ячеек, что и в электрокарах Tesla, правда ячеек в первом будет в сотни раз меньше.

«Аккумуляторная ячейка – (единичный элемент, состоящий из анода, катода и электролита) имеет стандартное напряжение, обусловленное своим химическим составом. Это напряжение достаточно низкое: не более 5 вольт. Для практического применения такое напряжение не всегда удобно, поэтому ячейки соединяют последовательно в аккумуляторную батарею и общее напряжение батареи получается равным сумме напряжений отдельных ячеек. Также одна ячейка имеет ограничение по максимальной отдаче тока, но этот параметр может очень сильно различаться для различных типов ячеек и их химических составов. При необходимости получить больший ток от аккумуляторной батареи ячейки соединяют параллельно. Таким образом, варьируя количество последовательно и параллельно соединенных элементов можно получить из стандартных типоразмеров ячеек аккумуляторную батарею с необходимыми характеристиками (напряжение, максимальный ток и емкость) для использования в конкретном устройстве»

«Аккумуляторные батареи – это источник постоянного тока, который предназначен для хранения и накопления электроэнергии. Большинство моделей современных аккумуляторов работают по принципу циклического преобразования химической энергии в электрическую и гарантируют множество циклов зарядки и разрядки»

Чтобы создать аккумуляторную батарею, нужно изучить методы соединения компонентов. Для этого можно прибегнуть к разным видам коннекторов и технологиям сварки.

Поговорим о самых применяемых для сборки литий-ионных аккумуляторов. Сразу скажем о том, что зарядные токи очень большие и железо должно быть достаточным, чтобы не перегреться и выдержать такие нагрузки. Поэтому перед тем, как самому собрать аккумулятор, изучите конструкцию и прикупите нужные компоненты. Для этого в магазинах часто выставлены готовые комплекты с ячейками и изоляторами. Останется только выбрать номинальное напряжение и размер банок, например, 18650 или 21700.

Если вы ищете информацию о том, как паять литий-ионные аккумуляторы, то знайте, что это опасный вариант. И опасность заключается в том, что тонкую стенку контактной площадки ячейки легко перегреть. На практике удержание жала паяльника более 10 секунд гарантированно выводит из строя элемент. Но если аппарата точечной сварки нет, а собрать аккумулятор нужно, то дадим несколько рекомендаций, чем паять литиевые аккумуляторы:

1. Используйте паяльник с толстым жалом повышенной мощности.

2. Площадь контакта должна быть не менее 5–6 мм².

3. Выбирайте тонкую ленту 0,15–0,2 мм, чтобы быстрее её прогреть.

4. Не используйте кислотные флюсы, так как ячейки нельзя мочить.

5. Не держите жало на одной точке дольше 3 секунд.

Для постоянного соединения такой способ опасен. Пользуйтесь им только для сборки малых по мощности батарей с низкими рабочими токами.

В качестве проводников тока в электротехнике традиционно используют провода и шины. Провода могут пригодиться для соединения двух удаленно расположенных друг от друга точек, когда необходима сложная геометрия трассы. Шины, наоборот – для объединения большого количество однотипных электротехнических элементов, расположенных близко друг к другу.

В АКБ обычно провода не используют и соединяют ячейки при помощи шин. Ну а чтобы соединить шины и контактные площадки литий-ионных аккумуляторов, есть сразу несколько технологий, которые уже активно интегрированы в промышленность.

1. Механическое резьбовое соединение

При таком способе соединения аккумулятор присоединяется к шине болтом или гайкой. Для этого производитель должен оснастить ячейку шпилькой или отверстием с резьбой в выводе этой самой ячейки. Обычно такие выводы встречаются у относительно больших призматических ячеек емкостью 40 Ач и выше.

Выполнить механическое резьбовое соединение достаточно просто даже без специального оборудования, нужно лишь контролировать силу затяжки шины.

Так если шину затянуть слишком слабо, контактное сопротивление будет высоким и повлечет за собой нагрев в области соединения, что чревато ускоренной коррозией металла, ухудшением срока жизни ячейки, оплавлением изоляции или даже возгоранием. Если же затяжка будет избыточной, может произойти срыв резьбы или повреждение корпуса аккумуляторной ячейки. Оптимальную силу затяжки устанавливает производитель ячеек и пишет об этом в технической документации к ним.

Важный нюанс: в процессе эксплуатации затяжка может ослабеть, поэтому целесообразно применять пружинные шайбы. Даже при максимально допустимой затяжке данный метод соединения не гарантирует хорошего контакта и не рекомендуется для высокотоковых аккумуляторных батарей. Также нужно учитывать химический состав соединяемых материалов при выборе соединителей, чтобы избежать электрохимической коррозии.

2. Точечная электрическая сварка

Есть много руководств о том, как собрать литий-ионный аккумулятор, и часто используют точечную сварку шин. Она применима для сборки батарей из разных типоразмеров ячеек, в том числе 18650.

Особенность электрической сварки заключается в соединении аккумуляторных ячеек тонкой (0,1–0,3 мм) никелевой или никелированной (покрытой слоем никеля) лентой. Лента приваривается к ячейке пропусканием короткого импульса тока величиной в несколько сотен ампер с помощью специального сварочного аппарата для точечной сварки. Ток плавит металл ленты и верхнего слоя контактной площадки ячейки в месте соприкосновения электродов, а малая длительность импульса (от сотен микросекунд до десятков миллисекунд) при этом не перегревает аккумулятор.

К преимуществам этого метода сварки относят его дешевизну — ручные сварочные аппараты есть в свободной продаже. Для ремонта аккумуляторных батарей, для мастерских и небольших производств есть ручные модели аппаратов, для промышленности — автоматические модели, рассчитанные на конвейерную работу.

К минусам — необходимость использования только тонких соединительных шин (лент), не способных пропускать большие токи. Именно поэтому для соединения ячеек 18650, 21700 и подобных такой метод обычно подходит, а для сборки АКБ из призматических банок с рабочими токами на ячейку в 40 и более ампер — нет.

3. Лазерная сварка

Популярный метод надежного соединения литиевых аккумуляторов. Лазерная сварка подразумевает разогрев металла шины лазером. Оборудование для таких манипуляций должно быть автоматическим или полуавтоматическим, для достижения максимального качества соединения.

Лазерная сварка считается более качественной и универсальной, чем точечная, но затраты на минимальное оборудование будут выше, а ремонтопригодность – ниже. Зачастую, такое оборудование могут себе позволить только специализированные производства.

С помощью лазерной сварки можно приварить к выводам ячеек толстые токоведущие шины, позволяющие пропускать токи в сотни ампер.

4. Ультразвуковая сварка (используем в АКБ для накопителей электроэнергии VOLTS)

Усовершенствованный процесс соединения металлических поверхностей путем трения. При ультразвуковой сварке аппарат прижимает тонкую алюминиевую проволоку к контактному выводу литий-ионной аккумуляторной ячейки, вызывая вибрацию на частотах ультразвука (около 100 кГц). В результате атомы металлов двух поверхностей смешиваются и сплавляются воедино за несколько сотен миллисекунд. После соединения проволоки с ячейкой аппарат проделывает аналогичную процедуру для соединения того же кусочка проволоки с токоведущей шиной. В зависимости от рабочего тока АКБ, таких соединительных проводников может быть один или несколько.

Так каждая ячейка соединяется с шиной не напрямую, а через тонкие проводники. Это позволяет методу обеспечить дополнительную функцию защиты ячейки от превышения тока. По сути соединительные проводники выполняют роль предохранителей (плавких вставок). Это нужно для того, чтобы в случае внутреннего короткого замыкания в отдельной ячейке, исправные и подключенные к тем же шинам ячейки не увеличивали ток короткого замыкания через поврежденную ячейку. В таком режиме соединительные проволоки поврежденной ячейки перегорают и поврежденная ячейка отключается от остальной цепи, предотвращая развитие аварийной ситуации и уменьшая риск возгорания батареи.

Ультразвуковая сварка обеспечивает надежное и качественное соединение, подходит для автоматизированной конвейерной сборки и не требует расплавленной фазы. Этот метод считается наиболее технологичным и безопасным способом изготовления литий-ионных аккумуляторных блоков. Поэтому, в АКБ для накопителей электроэнергии VOLTS мы как раз используем этот тип сварки.

Нюансы: для ультразвуковой сварки нужна безупречно плоская и чистая поверхность соединения. А еще, есть ограничения в виде тока, который могут пропускать соединяемые материалы – обычно они доходят до 30 А.

Небольшое предостережение: мы настоятельно не рекомендуем использовать пайку для прямого соединения проводника или шины к выводу призматических и цилиндрических ячеек при самостоятельной сборке литий-ионных АКБ.

Литий-ионные аккумуляторные ячейки очень чувствительны к перегреву. При пайке для надежного соединения нужен хороший прогрев соединяемых частей, что может вывести из строя ячейку сразу или через несколько циклов заряда и разряда. При сильном перегреве ячейка может загореться. Рекомендуем использовать специальное оборудование или обратиться к специалистам.