Какую роль графитовые листы (графитовые пленки с высокой теплопроводностью/гибкие листы из расширенного графита) играют в морских литий-ионных батареях?

Расчетный срок службы морских судов составляет 20–30 лет, что намного больше, чем у автомобилей. При эксплуатации в условиях постоянной высокой влажности и сильного соляного тумана в закрытых кабинах незначительные упущения в управлении температурным режимом могут привести к катастрофическому перегреву. Продукция также должна пройти строгую сертификацию, выданную различными национальными классификационными обществами, с проверками каждого судна и требованиями пожизненной ответственности. Sunwoda прямо заявляет: «Требования к батареям и нормативная база для морского и автомобильного применения — это почти две совершенно разные системы». Ведущие предприятия конкурируют за счет дифференцированных предложений в области BMS, изготовленных по индивидуальному заказу, управления температурным режимом с жидкостным охлаждением и адаптивности к нескольким сценариям.

Экономическая эффективность остается основным барьером. Стоимость строительства электрических судов примерно на 30 % выше, чем судов, работающих на топливе. Стоимость единицы судовых литий-ионных аккумуляторов примерно в два раза выше стоимости автомобильных аккумуляторов. Полностью электрическое грузовое судно может быть оснащено батареями емкостью в несколько тысяч кВтч, а на батареи может приходиться более трети общих затрат на строительство судна. CATL решает долгосрочные проблемы безопасности в условиях влажного и сильного соляного тумана с помощью своего решения «источник питания с двойной ответвительной коробкой», которое имеет сертификаты пяти крупнейших мировых классификационных обществ морского транспорта и имеет резервную конструкцию. Он также снижает порог первоначальных инвестиций для судовладельцев за счет концепции «разделение мощности судна плюс аккумуляторный блок».

Графитовые листы в основном применяются в морских батареях в четырех позициях:

1. Между аккумуляторными элементами и охлаждаемыми жидкостью пластинами: графитовые листы приклеиваются к нижним поверхностям пакетных/призматических элементов перед контактом с охлаждаемыми жидкостью пластинами.

2. Между элементами внутри аккумуляторных модулей: Графитовые листы вставляются между боковыми стенками элементов для бокового выравнивания температуры.

3. Между аккумуляторными модулями и внутренними стенками корпусов: графитовые теплораспределительные слои большой площади распределяют генерируемое модулем тепло по всему корпусу.

4. Вокруг блоков BMS и медных шин высокого напряжения: дополнительный отвод тепла от мощных электрических компонентов.

Графитовые листы выполняют четыре основные функции аккумуляторов морского класса:

1. Выравнивание температуры в масштабе всей системы для подавления локальных горячих точек и предотвращения катастрофического перегрева (наиболее критичное).

Морские аккумуляторные шкафы могут похвастаться чрезвычайно высокой единичной емкостью — до нескольких тысяч кВтч. Локальные горячие точки легко возникают при частых циклах заряда-разряда и вибрации, вызванной волнами. Внутри герметичных кабин тепло рассеивается плохо; растущая разница температур может спровоцировать каскадный тепловой разгон.

Графитовые листы обладают высокой плоскостной теплопроводностью (300–450 Вт/м·К), существенно превосходя алюминий. Они быстро рассеивают локализованное тепло от отдельных ячеек и ограничивают общую разницу температур модуля до ≤3–5 °C, как того требуют морские классификационные общества. Тепло от элементов равномерно направляется к охлаждаемым пластинам с жидкостным охлаждением, предотвращая ускоренное старение, вызванное длительными высокими температурами отдельных элементов, и удовлетворяя требованиям к сроку службы 20–30 лет для морских судов.

2. Заполнение термического межфазного зазора с устойчивостью к длительной вибрации и отклонению допуска.

Постоянное раскачивание и вибрация резервуара вызывают длительную ползучесть компонентов модуля и постепенное смещение допусков по толщине по мере старения деталей. На поверхности металлических холодных пластин и оболочек ячеек существуют микровыступы и зазоры, а захваченный воздух действует как теплоизоляция.

Гибкий графит обладает умеренной сжимаемостью и упругостью, что позволяет заполнять микрозазоры и снижать межфазное термическое сопротивление. По сравнению с силиконовыми прокладками графитовые листы обладают превосходной стойкостью к старению и устойчивостью к ползучести при сжатии. Подходящие для длительного срока службы в течение 20–30 лет, они позволяют избежать типичных отказов, связанных с силиконом, таких как старение, утечка масла и постепенное повышение термического сопротивления.

3. Химическая стабильность в морской среде с высокой влажностью и соляным туманом.

Даже в герметичных аккумуляторных отсеках морского коробчатого типа в каютах сохраняется высокая влажность и проникают следы солевого тумана.

Гибкий графит высокой чистоты обладает высокой химической инертностью и устойчив к коррозии соляным туманом, вызываемой хлорид-ионами. Он не разрушается в морских влажных условиях и не выделяет коррозийных низкомолекулярных веществ, которые могли бы загрязнить внутренние медные шины или печатные платы BMS.

4. Малый вес, совместимость с блоками питания коробчатого типа и моделями с аккумуляторной батареей.

Бортовое морское оборудование очень чувствительно к весу. В соответствии с принципом «разделение мощности корабля плюс аккумуляторный блок» аккумуляторные шкафы предназначены для подъема и замены, поэтому вес каждого шкафа должен оставаться контролируемым.

Графитовые листы имеют гораздо меньшую плотность, чем медные или алюминиевые теплораспределители, и обеспечивают выравнивание температуры на большой площади без увеличения веса. Их можно вырезать по индивидуальным размерам, чтобы они соответствовали стандартным аккумуляторным модулям коробчатого типа. Несколько шкафов можно соединить параллельно для создания аккумуляторных батарей для крупномасштабного хранения энергии.