Чому клітини мішка набрякають?

Є багато причин, чому літій-іонні батареї пакетного-типу здуваються. Виходячи з досвіду експериментальних досліджень і розробок, причини набухання можна розділити на три типи: по-перше, збільшення товщини, спричинене розширенням листів електродів батареї під час циклічного циклу; по-друге, розбухання, викликане утворенням газу в результаті окисного розкладання електроліту; і по-третє, здуття, спричинене виробничими дефектами, такими як потрапляння вологи через погане ущільнення або пошкодження кутів клітини.

Основні фактори, що впливають на зміну товщини батареї, залежать від хімічного складу батареї. Наприклад, в батареях, які використовують аноди з титанату літію (LTO), утворення газу є основною причиною розбухання; навпаки, для батарей з графітовими анодами розширення електродного листа та утворення газу сприяють набуханню.

Обговорення факторів і механізмів, що впливають на розширення графітового анода

Збільшення товщини елемента під час заряджання літій-{0}}іонних акумуляторів насамперед пояснюється розширенням анода; швидкість розширення катода становить лише 2–4%. Аноди, як правило, складаються з графіту, сполучної речовини та електропровідного вуглецю, причому сам графітовий матеріал демонструє швидкість розширення приблизно 10%. Ключові фактори, що впливають на швидкість розширення графітових анодів, включають утворення плівки SEI (Solid Electrolyte Interphase), стан заряду (SOC), параметри процесу та інші змінні.

(1) Формування плівки SEI
Під час початкового циклу заряду-розряду літій-іонної батареї відбувається реакція відновлення між електролітом і частинками графіту на межі розділу тверде тіло-рідина, утворюючи пасиваційний шар (плівку SEI) поверх матеріалу електрода. Утворення плівки SEI призводить до значного збільшення товщини анода, що сприяє загальному збільшенню товщини комірки приблизно на 4%. Під час тривалого -циклічного циклу фізична структура та питома поверхня графіту впливають на динамічний процес, що включає розчинення існуючого SEI та утворення нового SEI; наприклад, пластівчастий графіт демонструє вищу швидкість розширення, ніж сферичний графіт.

(2) Стан заряду (SOC)
Під час циклічного процесу розширення об’єму графітового анода демонструє сильний періодичний функціональний зв’язок із SOC комірки. Зокрема, об’єм поступово збільшується, оскільки іони літію проникають у графіт (збільшуючи SOC клітини); і навпаки, коли іони літію де-інтеркалюються з графітового анода, SOC комірки зменшується, а об’єм графітового анода відповідно зменшується.

(3) Параметри процесу
Щодо параметрів процесу, щільність ущільнення значно впливає на графітовий анод. Під час холодного пресування листа електрода в шарі покриття графітового анода виникає значне напруження стиску; цю напругу важко повністю зняти під час наступних етапів, таких як випікання при високій-температурі. Під час циклу заряду-розряду комбіновані ефекти літій{4}}інтеркаляції/де-інтеркаляції та електроліту-індукованого набрякання сполучного призводять до звільнення напруги всередині покриття, що призводить до збільшення розширення. Крім того, щільність ущільнення визначає об’єм порожнечі в анодному покритті. Великий об’єм пустот може ефективно вмістити розширення електродного листа.

І навпаки, якщо об’єм порожнечі малий, недостатньо місця для поглинання розширення; отже, розширення витісняється назовні, що проявляється як збільшення загального об’єму анодного листа.

(4) Інші фактори
Інші фактори, що впливають на розширення анода, включають міцність адгезії зв’язувальної речовини (зокрема, міжфазну адгезію між зв’язуючою речовиною, частинками графіту, провідним вуглецем і струмоприймачем), швидкість-розряду заряду, поведінку набухання зв’язувальної речовини в електроліті, форму та щільність упаковки частинок графіту та збільшення об’єму електрода внаслідок деградації зв’язувальної речовини під час циклу.

Acey New Energy спеціалізується на дослідженні та виробництві високоякісного обладнання-для літій-іонних акумуляторів. Ми можемо надати універсальне-рішення для-лабораторіїлінія виробництва акумуляторівдля циліндричної батареї, монетної клітинки, мішечної клітинки

Утворення газу в батареї є ще однією основною причиною набряку.

Батареї зазнають різного ступеня утворення газів і розбухання під час роботи за кімнатної або високої температури, а також під час високо{0}}температурного зберігання.

Під час початкового циклу заряду-розряду на поверхні електрода утворюється плівка міжфази твердого електроліту (SEI). Утворення шару SEI (Solid Electrolyte Interphase) на аноді в основному є результатом відновного розкладання EC (етиленкарбонату); генерація алкіллітію та Li2CO3 супроводжується утворенням значних кількостей CO та C2H4. Розчинники, такі як DMC (диметилкарбонат) і EMC (етилметилкарбонат), також сприяють утворенню плівки, утворюючи RLiCO3 і ROLi разом із такими газами, як CH4, C2H6, C3H8 і CO. В електролітах на основі PC (пропіленкарбонату)-утворення газу відносно вище, головним чином через утворення газу C3H8 у результаті відновлення PC. Для пакетних елементів LiFePO4 набухання газу є найсильнішим після завершення початкового циклу заряджання 0,1C.

Очевидно, що формування SEI неминуче супроводжується утворенням значної кількості газу. Наявність домішок H2O дестабілізує зв’язки P-F у LiPF6, що призводить до утворення HF; це дестабілізує систему акумулятора та утворює газ. Надлишок H2O споживає іони Li+, утворюючи LiOH, LiO2 і H2, що також призводить до виділення газу. Утворення газу також відбувається під час зберігання та тривалого заряду-розряду; у герметичних літій-іонних батареях значне накопичення газу спричиняє розбухання, тим самим погіршуючи продуктивність батареї та скорочуючи термін її служби. Основними причинами утворення газу під час зберігання є:

(1) Вода, присутня в акумуляторній системі, призводить до утворення HF, що пошкоджує шар SEI. Кисень (O2) у системі може окислювати електроліт, що призводить до утворення великої кількості CO2;
(2) Якщо шар SEI, утворений під час початкової активації (формування), нестабільний, він може деградувати під час зберігання; наступний ремонт шару SEI виділяє гази, що складаються переважно з вуглеводнів. Під час тривалого-циклічного-заряду-розряду зміни в кристалічній структурі матеріалу катода та не-рівномірний розподіл потенціалу по поверхні електрода можуть спричинити локалізовані високі потенціали. Це знижує стабільність електроліту на межі електродів; постійне потовщення поверхневої плівки збільшує міжфазний опір, ще більше підвищуючи потенціал реакції. Це викликає розкладання електроліту та утворення газу, тоді як сам матеріал катода також може виділяти газ.

Батареї виявляють різний ступінь набухання залежно від їх хімічних систем. В батареях із графітовими анодами основними причинами утворення газу та набухання є-як уже згадувалося-утворення шару SEI, надмірний вміст вологи в елементі, аномалії у процесі утворення та погане ущільнення. Навпаки, у анодній системі титанату літію (LTO) промисловість зазвичай пояснює утворення газу в акумуляторах Li4Ti5O12 властивою матеріалу тенденцією поглинати вологу, хоча остаточних доказів на підтвердження цієї гіпотези немає.

1. Погана герметизація:Частота набряку клітин, викликаного дефектами ущільнення, значно зменшилася. Дефекти можуть виникнути на будь-якій стороні ущільнення, причому верхнє ущільнення та дегазаційні ущільнення є найпоширенішими проблемними ділянками; проблеми з верхньою герметизацією зазвичай стосуються області виступу, тоді як проблеми з дегазацією часто спричиняють розшарування. Погана герметизація дозволяє атмосферній волозі проникати в елемент, викликаючи розкладання електроліту та утворення газу.

2. Пошкодження поверхні мішка:Під час виробничої лінії пакет може зазнати випадкових пошкоджень або пошкоджень, -спричинених людиною (наприклад, отворів), що дозволяє волозі проникати всередину клітини.

3. Пошкодження кута:Через специфічну деформацію алюмінієвого шару в складених кутах рух газового мішка може скрутити кут, пошкодивши алюміній (більші комірки з більшими газовими мішками більш схильні до цього) і порушуючи захист від вологи. Застосування крепової стрічки або термо{1}}клею на кутах може допомогти зменшити цей ризик. Крім того, забороняється працювати з елементами газовим мішком після верхнього запечатування; під час роботи потрібно бути особливо обережним, щоб запобігти хитанню комірок під час перебування на стелажах для старіння.

4. Надмірна вологість всередині:Якщо рівень вологості перевищує допустимі межі, електроліт деградує, що призводить до утворення газу після утворення або дегазації. Основними причинами надмірної внутрішньої вологи є: високий вміст вологи в електроліті, високий вміст вологи в оголеному елементі після запікання та надмірна вологість у сухому приміщенні. Якщо є підозра, що причиною набухання є надмірна вологість, можна провести перевірку відстеження процесу.

5. Аномалії процесу формування:Неправильні процедури формування можуть призвести до набрякання клітин.

6. Нестабільний шар SEI:Під час циклів заряду-розряду під час перевірки ємності може виникнути незначне здуття. 7. Перезаряд/над{2}}розряд: через несправності процесу, обладнання чи плати захисту (PCB) елемент батареї перезаряджається або надмірно розряджається, що призводить до сильного здуття (утворення газу).

8. Коротке замикання:Експлуатаційні помилки, що спричиняють контакт між живими виступами комірки, призводять до короткого замикання; клітина набухає, напруга швидко падає, а виступи стають чорними обвугленими.

9. Внутрішнє коротке замикання:Коротке замикання між анодом і катодом всередині комірки викликає швидкий розряд і виділення тепла, що супроводжується сильним набуханням. Причини включають недоліки конструкції; усадка, скручування або пошкодження сепаратора; зміщення бі-клітин; задирки, що проколюють сепаратор; надмірний тиск кріплення; або надмірне-стиснення за допомогою машини-термічного зварювання. Наприклад, недостатня ширина в поєднанні з надмірним стисненням корпусу комірки термозварювальною машиною раніше спричиняла замикання й розбухання анода-катода.

10. Корозія:Корозія клітини поглинає алюмінієвий шар, руйнуючи його вологостійку функцію та призводячи до розбухання.

11. Аномальна вакуумна дегазація:Проблеми системи чи обладнання призводять до неправильного рівня вакууму або неповної дегазації. Наприклад, якщо зона теплового випромінювання під час вакуумної герметизації є занадто великою, інструмент для дегазації може не проколоти пакет, що призведе до неповного видалення газу.

Придушення ненормального утворення газу вимагає звернення як до конструкції матеріалу, так і до виробничих процесів.

по-перше,Системи матеріалів і електролітів повинні бути оптимізовані, щоб забезпечити формування щільної, стабільної міжфазної плівки твердого електроліту (SEI), підвищити стабільність матеріалу катода та запобігти аномальному утворенню газу.

Що стосується обробки електролітом, невеликі кількості плівко{0}}утворюючих добавок часто використовують, щоб зробити плівку SEI більш однорідною та щільною. Це зменшує утворення газу, спричинене відшаруванням плівки SEI та регенерацією під час використання батареї, тим самим зменшуючи набряк; такі методи були задокументовані в дослідженнях і застосовані на практиці.

Дослідження показують, що компоненти плівки SEI, утворені EC (етиленкарбонат) і VC (вініленкарбонат), складаються з лінійних алкілкарбонатів літію. За високих температур алкілкарбонати літію, приєднані до літієвого вуглецю (LiC), є нестабільними та розкладаються з утворенням газів (наприклад, CO2), що призводить до розбухання батареї. Плівка SEI, утворена PS, складається з алкілсульфонату літію; Хоча плівка містить дефекти, вона має певну дво{3}}вимірну структуру та залишається відносно стабільною на поверхні LiC навіть за високих температур. Коли PS і VC використовуються в комбінації, PS утворює дефектну двовимірну структуру на поверхні анода за нижчих напруг; коли напруга зростає, VC утворює лінійний-структурований алкілкарбонат літію, який заповнює дефекти в дво-вимірній структурі, що призводить до стабільної мережевої-структурованої плівки SEI на LiC. Цей тип плівкової структури SEI значно підвищує стабільність і ефективно пригнічує утворення газу, спричинене розкладанням плівки.

Крім того,взаємодії між матеріалом катода з оксиду літію і кобальту та електролітом призводять до продуктів розкладання, які каталізують розпад розчинників електролітів. Отже, нанесення поверхневого покриття на матеріал катода не тільки покращує структурну стабільність, але й мінімізує контакт між катодом і електролітом, тим самим зменшуючи утворення газу, спричинене активністю каталітичного розкладання катода. Таким чином, утворення стабільного непошкодженого шару покриття на поверхні частинок катодного матеріалу є основним напрямком сучасних розробок.

Acey New Energyспеціалізується на наданні комплексних-рішень для напівавтоматичних/повністю-автоматичних ліній збирання літієвих батарей, що використовуються в ESS, UAV, E-велосипедах, E-скутерах, електроінструментах, дво-/трьох колісних транспортних засобах тощо. Якщо ви новачок у галузі літій-іонних акумуляторів і хочете створити власний літій-іонний акумулятор виробнича лінія або літій-іоннийлінія зборки акумуляторної батареї, ми можемо надати вам професійну технічну підтримку та керівництво, не соромтеся зв’язуватися з нами!

Зв'язатися зараз