Prečo bunky puzdra napučiavajú?

Existuje mnoho dôvodov, prečo vrecko{0}}lítium-iónové batérie-napučiava. Na základe experimentálnych skúseností z výskumu a vývoja možno príčiny opuchu kategorizovať do troch typov: po prvé, zväčšenie hrúbky spôsobené rozťahovaním elektród batérie počas cyklovania; po druhé, opuch spôsobený tvorbou plynu v dôsledku oxidačného rozkladu elektrolytu; a po tretie, napučiavanie spôsobené výrobnými chybami, ako je prenikanie vlhkosti v dôsledku zlého utesnenia alebo poškodenia rohov buniek.

Dominantné faktory ovplyvňujúce zmeny hrúbky batérie sa líšia v rôznych chemických zložkách batérií. Napríklad v batériách používajúcich anódy s titaničitanom lítnym (LTO) je tvorba plynu primárnou príčinou opuchu; na rozdiel od toho pri batériách s grafitovými anódami k napučiavaniu prispieva expanzia elektródového listu aj tvorba plynu.

Diskusia o faktoroch a mechanizmoch ovplyvňujúcich expanziu grafitovej anódy

Nárast hrúbky článku počas nabíjania lítium-iónových batérií sa primárne pripisuje expanzii anódy; rýchlosť expanzie katódy je len 2–4 %. Anódy sú typicky zložené z grafitu, spojiva a vodivého uhlíka, pričom samotný grafitový materiál vykazuje rýchlosť expanzie približne 10 %. Medzi kľúčové faktory ovplyvňujúce rýchlosť expanzie grafitových anód patrí tvorba filmu SEI (Solid Electrolyte Interphase), stav nabitia (SOC), parametre procesu a ďalšie premenné.

(1) Tvorba filmu SEI
Počas počiatočného cyklu nabíjania-vybíjania lítium{1}}iónovej batérie dochádza k redukčnej reakcii medzi elektrolytom a grafitovými časticami na rozhraní tuhá látka{2}}kvapalina, čím sa na materiáli elektródy vytvorí pasivačná vrstva (film SEI). Vytvorenie filmu SEI vedie k významnému zvýšeniu hrúbky anódy, čo prispieva k celkovému zvýšeniu hrúbky bunky približne o 4 %. V priebehu dlhodobého-cyklovania ovplyvňuje fyzická štruktúra a špecifický povrch grafitu dynamický proces zahŕňajúci rozpustenie existujúcej SEI a vytvorenie novej SEI; napríklad vločkový grafit vykazuje vyššiu rýchlosť expanzie ako guľový grafit.

(2) Stav nabitia (SOC)
Počas procesu cyklovania vykazuje objemová expanzia grafitovej anódy silný periodický funkčný vzťah s SOC bunky. Konkrétne sa objem postupne zväčšuje, keď lítiové ióny interkalujú do grafitu (zvýšenie SOC bunky); naopak, keď sa lítiové ióny de-interkalujú z grafitovej anódy, SOC článku sa zníži a objem grafitovej anódy sa zodpovedajúcim spôsobom zmenší.

(3) Parametre procesu
Čo sa týka parametrov procesu, hustota zhutnenia výrazne ovplyvňuje grafitovú anódu. Počas lisovania elektródového plátu za studena vzniká vo vrstve grafitovej anódy značné tlakové napätie; tento stres je ťažké úplne uvoľniť počas nasledujúcich krokov, ako je napríklad pečenie pri vysokej teplote-. Počas cyklu nabíjania-vybíjania spôsobujú kombinované účinky lítium-interkalácie/de{5}}interkalácie/de{5}}interkalácie a elektrolytom- napučiavania spojiva uvoľnenie napätia v nátere, čo vedie k zvýšenej expanzii. Okrem toho hustota zhutnenia určuje objem dutín v anódovom povlaku. Veľký dutý objem môže účinne prispôsobiť expanziu elektródového plátu.

Naopak, ak je prázdny objem malý, nie je dostatok miesta na absorbovanie expanzie; v dôsledku toho je expanzia vytlačená smerom von, čo sa prejavuje ako zväčšenie celkového objemu anódového plechu.

(4) Iné faktory
Medzi ďalšie faktory ovplyvňujúce expanziu anódy patrí sila priľnavosti spojiva (konkrétne priľnavosť na rozhraní medzi spojivom, časticami grafitu, vodivým uhlíkom a zberačom prúdu), rýchlosť vybíjania, napučiavanie spojiva v elektrolyte, tvar a hustota zloženia grafitových častíc a zvýšenie objemu elektródy v dôsledku degradácie spojiva počas cyklovania.

Acey New Energy sa špecializuje na výskum a výrobu špičkových{0}}zariadení pre lítium-iónové batérie. Môžeme poskytnúť-jednorazové riešenie pre laboratórne-váhylinka na výrobu batériípre cylindrickú batériu, gombíkový článok, vreckový článok

Generovanie plynu v batérii je ďalšou hlavnou príčinou opuchu.

V batériách dochádza k rôznym stupňom tvorby plynu a napučiavania počas cyklovania pri izbovej alebo vysokej teplote, ako aj pri skladovaní- pri vysokej teplote.

Počas cyklu počiatočného nabíjania-vybíjania sa na povrchu elektródy vytvorí medzifáza pevného elektrolytu (SEI). Tvorba vrstvy SEI (Solid Electrolyte Interphase) na anóde je primárne výsledkom redukčného rozkladu EC (Ethylene Carbonate); tvorba alkyllítia a Li2CO3 je sprevádzaná produkciou značného množstva CO a C2H4. Rozpúšťadlá ako DMC (dimetylkarbonát) a EMC (etylmetylkarbonát) tiež prispievajú k tvorbe filmu, pričom spolu s plynmi ako CH4, C2H6, C3H8 a CO poskytujú RLiCO3 a ROLi. V elektrolytoch na báze PC (propylénkarbonát)- je tvorba plynu relatívne vyššia, predovšetkým v dôsledku zníženia produkcie plynu PCH8. Pre LiFePO4 vačkové články je napúčanie plynu najzávažnejšie po dokončení počiatočného nabíjacieho cyklu 0,1C.

Je zrejmé, že tvorba SEI je nevyhnutne sprevádzaná tvorbou značného množstva plynu. Prítomnosť nečistôt H2O destabilizuje väzby P-F v LiPF6, čo vedie k tvorbe HF; to destabilizuje batériový systém a vytvára plyn. Nadmerné množstvo H2O spotrebúva ióny Li+, čím vzniká LiOH, LiO2 a H2, čo tiež vedie k vývoju plynu. K tvorbe plynu dochádza aj počas skladovania a predĺženého cyklu{10}}vybíjania; v uzavretých lítium{11}}iónových batériách spôsobuje značné nahromadenie plynu opuch, čím sa zhoršuje výkon batérie a skracuje sa jej životnosť. Hlavné dôvody pre tvorbu plynu počas skladovania sú nasledovné:

(1) H2O prítomná v batériovom systéme vedie k tvorbe HF, ktorá poškodzuje vrstvu SEI. Kyslík (O2) v systéme môže oxidovať elektrolyt, čo vedie k tvorbe veľkého množstva CO2;
(2) Ak je vrstva SEI vytvorená počas počiatočnej aktivácie (tvorby) nestabilná, môže počas skladovania degradovať; následná oprava vrstvy SEI uvoľňuje plyny pozostávajúce predovšetkým z uhľovodíkov. Počas dlhodobého-cyklovania nabíjania-vybíjania môžu zmeny v kryštalickej štruktúre materiálu katódy a -rovnomerné rozloženie potenciálu na povrchu elektródy spôsobiť lokalizované vysoké potenciály. To znižuje stabilitu elektrolytu na rozhraní elektród; kontinuálne zahusťovanie povrchového filmu zvyšuje medzifázový odpor a ďalej zvyšuje reakčný potenciál. To spúšťa rozklad elektrolytu a tvorbu plynu, zatiaľ čo samotný materiál katódy môže tiež uvoľňovať plyn.

Batérie vykazujú rôzne stupne napučiavania v závislosti od ich chemických systémov. V batériách používajúcich grafitové anódy sú primárnymi príčinami tvorby plynu a napučiavania-ako už bolo spomenuté-tvorba SEI vrstvy, nadmerný obsah vlhkosti v článku, anomálie v procese tvorby a slabé tesnenie. Na rozdiel od toho, v rámci anódového systému lítium-titanátu (LTO) priemysel vo všeobecnosti pripisuje tvorbu plynu v batériách Li4Ti5O12 inherentnej tendencii materiálu absorbovať vlhkosť, hoci neexistuje žiadny definitívny dôkaz na potvrdenie tejto hypotézy.

1. Slabé tesnenie:Výskyt opuchnutých buniek spôsobených defektmi tesnenia sa výrazne znížil. Chyby sa môžu vyskytnúť na ktorejkoľvek strane tesnenia, pričom najčastejšími problémovými oblasťami sú horné tesnenia a odplyňovacie tesnenia; problémy s horným tesnením sa zvyčajne týkajú oblasti jazýčka, zatiaľ čo problémy s odplyňovaním často zahŕňajú delamináciu. Nedostatočné utesnenie umožňuje vstup atmosférickej vlhkosti do článku, čo spúšťa rozklad elektrolytu a tvorbu plynu.

2. Poškodenie povrchu vrecka:Počas toku na výrobnej linke môže vrecko utrpieť náhodné poškodenie alebo poškodenie spôsobené ľudskou činnosťou- (ako sú dierky), čo umožní vlhkosti preniknúť do vnútra bunky.

3. Poškodenie rohu:V dôsledku špecifickej deformácie hliníkovej vrstvy v ohnutých rohoch môže pohyb plynového vaku skrútiť roh, poškodiť hliník (väčšie články s väčšími plynovými vakmi sú na to náchylnejšie) a narušiť bariéru proti vlhkosti. Použitie krepovej pásky alebo tavného{1}}lepidla v rohoch môže pomôcť zmierniť toto riziko. Ďalej je zakázaná manipulácia s článkami plynovým vakom po hornom utesnení; Počas prevádzky je potrebné venovať osobitnú pozornosť tomu, aby sa zabránilo kolísaniu buniek počas starnutia stojanov.

4. Nadmerný obsah vnútornej vlhkosti:Ak úrovne vlhkosti prekročia limity, elektrolyt degraduje, čo vedie k tvorbe plynu po vytvorení alebo odplynení. Primárne príčiny nadmernej vnútornej vlhkosti zahŕňajú: vysoký obsah vlhkosti v elektrolyte, vysoký obsah vlhkosti v holom článku po pečení a nadmernú vlhkosť v suchej miestnosti. Ak je podozrenie, že príčinou opuchu je nadmerná vlhkosť, je možné vykonať kontrolu sledovateľnosti procesu.

5. Anomálie procesu formovania:Nesprávne postupy tvorby môžu viesť k opuchu buniek.

6. Nestabilná vrstva SEI:Počas cyklov nabíjania-vybíjania pri testovaní kapacity. 7. Prebitia/Prebitia- môže dôjsť k miernemu opuchu: V dôsledku nesprávnej funkcie procesu, zariadenia alebo dosky s ochrannými obvodmi (PCB) sa článok batérie prebíja alebo nadmerne vybíja, čo vedie k silnému opuchu (tvorba plynu).

8. Skrat:Prevádzkové chyby spôsobujúce kontakt medzi živými článkami vedú ku skratu; článok napučí, napätie rýchlo klesne a jazýčky sčernejú.

9. Vnútorný skrat:Skrat medzi anódou a katódou vo vnútri článku spôsobuje rýchle vybíjanie a tvorbu tepla, sprevádzané silným opuchom. Príčiny zahŕňajú konštrukčné chyby; zmrštenie, zvlnenie alebo poškodenie separátora; nesprávne zarovnanie bi-buniek; otrepy prepichujúce separátor; nadmerný tlak prípravku; alebo nadmerným-stlačením pomocou tepelného-zatavovacieho stroja. Napríklad nedostatočná šírka v kombinácii s nadmerným stláčaním tela článku pomocou tepelného-zváracieho stroja predtým spôsobila skrat a opuch anódy-katódy.

10. Korózia:Korózia článku spotrebováva hliníkovú vrstvu, ničí jej bariérovú funkciu proti vlhkosti a vedie k opuchu.

11. Abnormálne vákuové odplyňovanie:Problémy so systémom alebo zariadením majú za následok nesprávne úrovne vákua alebo neúplné odplynenie. Napríklad, ak je zóna tepelného vyžarovania počas vákuového utesňovania príliš veľká, odplyňovací prepichovací nástroj nemusí účinne prepichnúť vrecko, čo má za následok neúplnú extrakciu plynu.

Potlačenie abnormálnej tvorby plynu si vyžaduje riešenie materiálového dizajnu aj výrobných procesov.

po prvé,Materiálové a elektrolytové systémy musia byť optimalizované, aby sa zabezpečila tvorba hustého, stabilného filmu medzifázy tuhého elektrolytu (SEI), zlepšila sa stabilita materiálu katódy a zabránila sa abnormálnej tvorbe plynu.

Čo sa týka úpravy elektrolytu, často sa používajú malé množstvá filmotvorných-aditív, aby bol film SEI rovnomernejší a hustejší. To znižuje tvorbu plynu spôsobenú oddeľovaním a regeneráciou filmu SEI počas používania batérie, čím sa zmierňuje opuch; takéto metódy boli zdokumentované vo výskume a aplikované v praxi.

Výskum ukazuje, že zložky filmu SEI tvorené EC (etylénkarbonát) a VC (vinylénkarbonát) pozostávajú z lineárnych alkylkarbonátov lítnych. Pri vysokých teplotách sú lítiumalkylkarbonáty pripojené k lítiovému uhlíku (LiC) nestabilné a rozkladajú sa za vzniku plynov (ako je CO2), čo vedie k opuchu batérie. Film SEI tvorený PS pozostáva z alkylsulfonátu lítneho; hoci film obsahuje defekty, má určitú dvojrozmernú štruktúru a zostáva relatívne stabilný na povrchu LiC aj pri vysokých teplotách. Keď sa PS a VC použijú v kombinácii, PS vytvorí chybnú dvojrozmernú štruktúru na povrchu anódy pri nižších napätiach; ako napätie stúpa, VC tvorí lineárny -štruktúrovaný lítiumalkylkarbonát, ktorý vypĺňa defekty v dvoj-rozmernej štruktúre, výsledkom čoho je stabilný, sieťovo{8}}štruktúrovaný film SEI na LiC. Tento typ štruktúry filmu SEI výrazne zvyšuje stabilitu a účinne potláča tvorbu plynu spôsobenú rozkladom filmu.

ďalejinterakcie medzi katódovým materiálom na báze oxidu lítneho kobaltu a elektrolytom vedú k rozkladným produktom, ktoré katalyzujú rozklad elektrolytických rozpúšťadiel. V dôsledku toho aplikácia povrchového povlaku na materiál katódy nielen zlepšuje štrukturálnu stabilitu, ale tiež minimalizuje kontakt medzi katódou a elektrolytom, čím sa znižuje tvorba plynu poháňaná aktivitou katalytického rozkladu katódy. Preto tvorba stabilnej, neporušenej povlakovej vrstvy na povrchu častíc katódového materiálu predstavuje hlavný smer súčasného vývoja.

Acey New Energysa špecializuje na poskytovanie{0}}jednorazových riešení pre polo-automatické/plne{2}}automatické montážne linky lítiových batérií používaných v ESS, UAV, E-bicykloch, E-kolobežkách, elektrickom náradí, dvoj/trojkolesových vozidlách atď.montážna linka akumulátora, môžeme vám poskytnúť profesionálnu technickú podporu a poradenstvo, neváhajte nás kontaktovať!

Kontaktujte teraz