Почему карманные клетки набухают?

Существует множество причин, по которым литий-ионные- аккумуляторы пакетного-типа раздуваются. На основе экспериментального опыта исследований и разработок причины набухания можно разделить на три типа: во-первых, увеличение толщины, вызванное расширением листов электродов батареи во время езды на велосипеде; во-вторых, набухание, вызванное газообразованием в результате окислительного разложения электролита; и, в-третьих, вздутие, вызванное производственными дефектами, такими как попадание влаги из-за плохой герметизации или повреждения углов ячеек.

Доминирующие факторы, влияющие на изменение толщины батареи, различаются в зависимости от химического состава батареи. Например, в батареях, в которых используются аноды из титаната лития (LTO), основной причиной набухания является выделение газа; напротив, для батарей с графитовыми анодами распуханию способствуют как расширение электродного листа, так и газообразование.

Обсуждение факторов и механизмов, влияющих на расширение графитового анода

Увеличение толщины элементов во время зарядки литий-ионных аккумуляторов в первую очередь связано с расширением анода; степень расширения катода составляет всего 2–4%. Аноды обычно состоят из графита, связующего и проводящего углерода, причем сам графитовый материал имеет степень расширения примерно 10%. Ключевые факторы, влияющие на скорость расширения графитовых анодов, включают образование пленки SEI (межфазная фаза твердого электролита), состояние заряда (SOC), параметры процесса и другие переменные.

(1) Формирование пленки SEI
Во время начального цикла зарядки-разрядки литий-ионного-аккумулятора между электролитом и частицами графита на границе твердого тела-жидкости происходит реакция восстановления, образующая пассивирующий слой (пленку SEI) поверх материала электрода. Формирование пленки SEI приводит к значительному увеличению толщины анода, способствуя общему увеличению толщины ячейки примерно на 4%. В ходе длительного -циклирования физическая структура и удельная поверхность графита влияют на динамический процесс, включающий растворение существующего SEI и образование нового SEI; например, чешуйчатый графит демонстрирует более высокую скорость расширения, чем сферический графит.

(2) Состояние заряда (SOC)
Во время процесса циклирования объемное расширение графитового анода демонстрирует сильную периодическую функциональную связь с SOC ячейки. В частности, объем постепенно увеличивается по мере того, как ионы лития внедряются в графит (увеличивая SOC ячейки); и наоборот, когда ионы лития де-интеркалируются из графитового анода, SOC элемента уменьшается, и объем графитового анода соответственно уменьшается.

(3) Параметры процесса
Что касается параметров процесса, плотность уплотнения существенно влияет на графитовый анод. При холодном прессовании электродного листа в слое графитового анодного покрытия возникают значительные сжимающие напряжения; этот стресс трудно полностью снять на последующих этапах, таких как-выпечка при высокой температуре. Во время циклического заряда-разряда совокупный эффект интеркаляции/де-ионов лития и набухания связующего, вызванного электролитом-, приводит к снятию напряжения внутри покрытия, что приводит к увеличению расширения. Кроме того, плотность уплотнения определяет объем пустот внутри анодного покрытия. Большой объем пустот позволяет эффективно компенсировать расширение электродного листа.

И наоборот, если объем пустот невелик, места недостаточно для поглощения расширения; следовательно, расширение вытесняется наружу, что проявляется в увеличении общего объема анодного листа.

(4) Другие факторы
Другие факторы, влияющие на расширение анода, включают прочность адгезии связующего (в частности, межфазную адгезию между связующим, частицами графита, проводящим углеродом и токосъемником), скорость заряда-разряда, набухание связующего в электролите, форму и плотность упаковки частиц графита, а также увеличение объема электрода в результате деградации связующего во время циклирования.

Acey New Energy специализируется на исследованиях и производстве высококачественного-оборудования для литий-ионных аккумуляторов. Мы можем предоставить универсальное-решение для лабораторного-масштаба.линия по производству аккумуляторовдля цилиндрической батареи, монетного элемента, мешочного элемента

Выделение газа внутри аккумулятора является еще одной серьезной причиной вздутия.

Аккумуляторы в различной степени выделяют газ и набухают во время езды при комнатной или высокой температуре, а также во время-хранения при высоких температурах.

Во время начального цикла зарядки-разрядки на поверхности электрода образуется межфазная пленка твердого электролита (SEI). Образование слоя SEI (межфазного слоя твердого электролита) на аноде в первую очередь является результатом восстановительного разложения EC (карбоната этилена); образование алкиллития и Li2CO3 сопровождается образованием значительных количеств CO и C2H4. Растворители, такие как DMC (диметилкарбонат) и EMC (этилметилкарбонат), также способствуют образованию пленок, образуя RLiCO3 и ROLi наряду с такими газами, как CH4, C2H6, C3H8 и CO. В электролитах на основе ПК (пропиленкарбонат)- образование газа относительно выше, в первую очередь из-за образования газа C3H8 в результате восстановления ПК. Для аккумуляторов LiFePO4 набухание газа наиболее сильное после завершения начального цикла зарядки 0,1C.

Очевидно, что образование SEI неизбежно сопровождается выделением значительных количеств газа. Присутствие примесей H2O дестабилизирует связи P-F в LiPF6, что приводит к образованию HF; это дестабилизирует аккумуляторную систему и приводит к образованию газа. Чрезмерное количество H2O поглощает ионы Li+, образуя LiOH, LiO2 и H2, что также приводит к выделению газа. Образование газа также происходит во время хранения и длительной циклической зарядки-разрядки; в герметичных литий-ионных батареях значительное скопление газа приводит к набуханию, что ухудшает производительность батареи и сокращает срок ее службы. Основными причинами образования газа при хранении являются:

(1) H2O, присутствующий в аккумуляторной системе, приводит к образованию HF, который повреждает слой SEI. Кислород (O2) в системе может окислять электролит, что приводит к образованию большого количества CO2;
(2) Если слой SEI, сформированный при первоначальной активации (формировании), нестабилен, он может деградировать при хранении; при последующем ремонте слоя SEI выделяются газы, состоящие преимущественно из углеводородов. Во время длительной -циклической зарядки-разрядки изменения кристаллической структуры материала катода и не-неравномерное распределение потенциала по поверхности электрода могут привести к возникновению локализованных высоких потенциалов. Это снижает стабильность электролита на границе раздела электродов; Постоянное утолщение поверхностной пленки увеличивает межфазное сопротивление, еще больше повышая потенциал реакции. Это вызывает разложение электролита и образование газа, а сам материал катода также может выделять газ.

Батареи имеют разную степень набухания в зависимости от их химической системы. В батареях с графитовыми анодами основными причинами газообразования и набухания являются,-как упоминалось ранее-образование слоя SEI, избыточное содержание влаги внутри элемента, аномалии в процессе формирования и плохая герметизация. Напротив, в системе анодов из титаната лития (LTO) промышленность обычно связывает выделение газа в батареях Li4Ti5O12 с присущей материалу тенденцией поглощать влагу, хотя убедительных доказательств, подтверждающих эту гипотезу, нет.

1. Плохая герметизация:Значительно снизилась частота возникновения набухших клеток, вызванных дефектами герметизации. Дефекты могут возникнуть на любой стороне уплотнения, причем наиболее распространенными проблемными местами являются верхние уплотнения и уплотнения дегазации; Проблемы с верхним уплотнением обычно связаны с областью вкладок, а проблемы с дегазацией часто связаны с расслоением. Плохая герметизация позволяет атмосферной влаге проникать в элемент, вызывая разложение электролита и образование газа.

2. Повреждения поверхности пакета:Во время работы производственной линии пакет может получить случайное или антропогенное-повреждение (например, образование микропор), что позволит влаге проникнуть внутрь ячейки.

3. Угловые повреждения:Из-за специфической деформации алюминиевого слоя в загнутых углах движение газового мешка может скрутить угол, повредив алюминий (к этому более склонны более крупные ячейки с большими газовыми мешками) и нарушить влагонепроницаемость. Нанесение крепированной ленты или термоклея-на углы может помочь снизить этот риск. Кроме того, запрещено обращение с элементами за газовый мешок после верхней запечатывания; Во время работы необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы предотвратить раскачивание ячеек на стойках для старения.

4. Чрезмерное внутреннее содержание влаги:Если уровень влажности превышает допустимые пределы, электролит разлагается, что приводит к образованию газа после образования или дегазации. К основным причинам чрезмерной внутренней влажности относятся: высокое содержание влаги в электролите, высокое содержание влаги в голом аккумуляторе после обжига и чрезмерная влажность в сухом помещении. Если предполагается, что причиной набухания является чрезмерная влага, можно провести проверку прослеживаемости процесса.

5. Аномалии процесса формирования:Неправильные процедуры формирования могут привести к набуханию клеток.

6. Нестабильный слой SEI:Во время циклов зарядки-разряда при проверке емкости может возникнуть небольшое набухание.. 7. Перезаряд/чрезмерный-разряд. Из-за неисправностей технологического процесса, оборудования или защитной платы (PCB) элемент аккумулятора подвергается перезарядке или чрезмерной разрядке, что приводит к сильному набуханию (выделению газа).

8. Короткое замыкание:Эксплуатационные ошибки, вызывающие контакт между вкладками живых ячеек, приводят к короткому замыканию; элемент разбухает, напряжение быстро падает, а контакты обугливаются до черноты.

9. Внутреннее короткое замыкание:Короткое замыкание между анодом и катодом внутри элемента вызывает быстрый разряд и выделение тепла, сопровождающееся сильным набуханием. Причины включают недостатки конструкции; усадка, скручивание или повреждение сепаратора; несовпадение би-ячеек; заусенцы, прокалывающие сепаратор; чрезмерное давление приспособления; или чрезмерное-сжатие термосварочной-машиной. Например, недостаточная ширина в сочетании с чрезмерным сжатием корпуса элемента термосварочной машиной ранее приводила к замыканию анода-катода и набуханию.

10. Коррозия:Коррозия элемента разрушает алюминиевый слой, разрушая его влагозащитную функцию и приводя к набуханию.

11. Аномальная вакуумная дегазация:Проблемы с системой или оборудованием приводят к неправильному уровню вакуума или неполной дегазации. Например, если зона теплового излучения во время вакуумной запечатывания слишком велика, инструмент для прокалывания дегазации может не эффективно проколоть пакет, что приведет к неполному извлечению газа.

Подавление аномального образования газа требует решения как проектирования материалов, так и производственных процессов.

Первый,системы материалов и электролитов должны быть оптимизированы для обеспечения образования плотной и стабильной межфазной пленки твердого электролита (SEI), повышения стабильности катодного материала и предотвращения аномального образования газа.

Что касается электролитной обработки, то часто используются небольшие количества пленкообразующих добавок-, чтобы сделать пленку SEI более однородной и плотной. Это уменьшает образование газа, вызванное отслоением и регенерацией пленки SEI во время использования батареи, тем самым уменьшая набухание; такие методы были задокументированы в исследованиях и применены на практике.

Исследования показывают, что компоненты пленки SEI, образованные EC (этиленкарбонатом) и VC (виниленкарбонатом), состоят из линейных алкилкарбонатов лития. При высоких температурах алкилкарбонаты лития, присоединенные к литированному углероду (LiC), нестабильны и разлагаются с образованием газов (таких как CO2), что приводит к набуханию батареи. Пленка SEI, образованная PS, состоит из алкилсульфоната лития; хотя пленка и содержит дефекты, она обладает определенной двумерной структурой и остается относительно стабильной на поверхности LiC даже при высоких температурах. При совместном использовании ПС и ВК ПС образует дефектную двумерную структуру на поверхности анода при более низких напряжениях; при повышении напряжения VC образует алкилкарбонат лития с линейной-структурой, который заполняет дефекты в двумерной структуре, в результате чего на LiC образуется стабильная пленка SEI с сетчатой-структурой. Этот тип структуры пленки SEI значительно повышает стабильность и эффективно подавляет газообразование, вызванное разложением пленки.

Более того,Взаимодействия между литий-кобальтовым катодным материалом и электролитом приводят к образованию продуктов разложения, которые катализируют распад растворителей электролита. Следовательно, нанесение поверхностного покрытия на материал катода не только улучшает структурную стабильность, но также сводит к минимуму контакт между катодом и электролитом, тем самым уменьшая выделение газа, вызванное активностью каталитического разложения катода. Поэтому формирование стабильного, неповрежденного слоя покрытия на поверхности частиц катодного материала представляет собой основное направление текущих разработок.

Эйси Нью Энерджиспециализируется на предоставлении универсальных решений для полу-автоматических/полностью-автоматических сборочных линий литиевых аккумуляторов, используемых в ESS, БПЛА, электронных-велосипедах, электронных-скутерах, электроинструментах, двух/трехколесных транспортных средствах и т. д. Если вы новичок в производстве литий-ионных аккумуляторов и хотите построить собственную линию по производству литий-ионных или литий-ионных аккумуляторовлиния сборки аккумуляторных батарей, мы можем предоставить вам профессиональную техническую поддержку и рекомендации, пожалуйста, свяжитесь с нами!

Свяжитесь сейчас