Dlaczego komórki torebki puchną?

Istnieje wiele powodów, dla których etui-baterie litowo-jonowe-pęcznieją. W oparciu o eksperymentalne doświadczenia badawczo-rozwojowe przyczyny pęcznienia można podzielić na trzy typy: po pierwsze, wzrost grubości spowodowany rozszerzaniem się arkuszy elektrod akumulatora podczas jazdy na rowerze; po drugie, pęcznienie spowodowane wydzielaniem się gazu w wyniku utleniającego rozkładu elektrolitu; i po trzecie, pęcznienie spowodowane wadami produkcyjnymi, takimi jak wnikanie wilgoci w wyniku złego uszczelnienia lub uszkodzenia w rogach komórek.

Dominujące czynniki wpływające na zmiany grubości baterii różnią się w zależności od składu chemicznego baterii. Na przykład w akumulatorach wyposażonych w anody z tytanianu litu (LTO) główną przyczyną pęcznienia jest wytwarzanie gazu; natomiast w przypadku akumulatorów z anodami grafitowymi do pęcznienia przyczynia się zarówno rozszerzanie arkusza elektrody, jak i wytwarzanie gazu.

Dyskusja na temat czynników i mechanizmów wpływających na rozszerzanie się anody grafitowej

Wzrost grubości ogniw podczas ładowania akumulatorów litowo-przypisuje się przede wszystkim rozszerzaniu się anody; stopień rozszerzania katody wynosi tylko 2–4%. Anody składają się zazwyczaj z grafitu, spoiwa i węgla przewodzącego, przy czym sam materiał grafitowy wykazuje współczynnik rozszerzalności wynoszący około 10%. Do kluczowych czynników wpływających na szybkość rozszerzania anod grafitowych zalicza się tworzenie warstwy SEI (interfaza stałego elektrolitu), stan naładowania (SOC), parametry procesu i inne zmienne.

(1) Tworzenie się filmu SEI
Podczas początkowego cyklu ładowania-rozładowania akumulatora litowego-jonowego zachodzi reakcja redukcji pomiędzy elektrolitem a cząsteczkami grafitu na granicy faz ciało stałe-ciecz, tworząc warstwę pasywacyjną (warstwę SEI) na materiale elektrody. Tworzenie się warstwy SEI prowadzi do znacznego wzrostu grubości anody, przyczyniając się do ogólnego wzrostu grubości ogniwa o około 4%. W trakcie-długoterminowych cykli struktura fizyczna i powierzchnia właściwa grafitu wpływają na dynamiczny proces obejmujący rozpuszczenie istniejącego SEI i utworzenie nowego SEI; na przykład grafit płatkowy wykazuje większą szybkość rozszerzania niż grafit sferyczny.

(2) Stan naładowania (SOC)
Podczas procesu cyklicznego zwiększanie objętości anody grafitowej wykazuje silny okresowy związek funkcjonalny z SOC ogniwa. W szczególności objętość zwiększa się stopniowo w miarę interkalacji jonów litu w grafit (zwiększając SOC ogniwa); i odwrotnie, gdy jony litu ulegają-interkalacji z anody grafitowej, SOC ogniwa zmniejsza się, a objętość anody grafitowej odpowiednio się zmniejsza.

(3) Parametry procesu
Jeśli chodzi o parametry procesu, gęstość zagęszczenia znacząco wpływa na anodę grafitową. Podczas prasowania na zimno arkusza elektrody w warstwie powłoki anody grafitowej powstają znaczne naprężenia ściskające; trudno jest całkowicie złagodzić to napięcie podczas kolejnych etapów, takich jak pieczenie w-wysokiej temperaturze. Podczas cykli ładowania-rozładowania połączone efekty interkalacji/de-jonu litu-interkalacji i de{5}}jonu oraz indukowanego elektrolitem-pęcznienia spoiwa powodują uwolnienie naprężeń w powłoce, co prowadzi do zwiększonej rozszerzalności. Ponadto gęstość zagęszczenia określa objętość pustych przestrzeni w powłoce anody. Duża objętość pustych przestrzeni może skutecznie kompensować rozszerzanie się arkusza elektrody.

I odwrotnie, jeśli objętość pustych przestrzeni jest mała, nie ma wystarczającej przestrzeni, aby zaabsorbować rozszerzanie; w konsekwencji rozszerzanie jest wypychane na zewnątrz, co objawia się wzrostem całkowitej objętości arkusza anodowego.

(4) Inne czynniki
Inne czynniki wpływające na rozszerzanie się anody obejmują siłę przyczepności spoiwa (w szczególności przyczepność międzyfazową pomiędzy spoiwem, cząstkami grafitu, węglem przewodzącym i kolektorem prądu), szybkości-rozładowywania ładunku, pęcznienie spoiwa w elektrolicie, kształt i gęstość upakowania cząstek grafitu oraz wzrost objętości elektrody wynikający z degradacji spoiwa podczas cykli.

Firma Acey New Energy specjalizuje się w badaniach i produkcji-najwyższej klasy sprzętu do akumulatorów litowo--jonowych. Możemy zapewnić kompleksowe rozwiązanie-na skalę laboratoryjnąlinia do produkcji akumulatorówdo baterii cylindrycznej, ogniwa monetowego, ogniwa etui

Wytwarzanie gazu w akumulatorze jest kolejną główną przyczyną pęcznienia.

W bateriach w różnym stopniu wydziela się gaz i pęcznieją podczas pracy w temperaturze pokojowej lub w wysokich temperaturach, a także podczas-przechowywania w wysokiej temperaturze.

Podczas początkowego cyklu ładowania-rozładowania na powierzchni elektrody tworzy się warstwa międzyfazy stałego elektrolitu (SEI). Tworzenie się warstwy SEI (międzyfaza stałego elektrolitu) na anodzie wynika przede wszystkim z redukcyjnego rozkładu EC (węglanu etylenu); wytwarzaniu alkilolitu i Li2CO3 towarzyszy produkcja znacznych ilości CO i C2H4. Rozpuszczalniki takie jak DMC (węglan dimetylu) i EMC (węglan etylometylu) również przyczyniają się do tworzenia powłoki, dając RLiCO3 i ROLi wraz z gazami takimi jak CH4, C2H6, C3H8 i CO. W elektrolitach na bazie PC (węglanu propylenu)-wytwarzanie gazu jest stosunkowo wyższe, głównie ze względu na produkcję gazu C3H8 w wyniku redukcji PC. W przypadku ogniw woreczkowych LiFePO4 pęcznienie gazu jest najpoważniejsze po zakończeniu początkowego cyklu ładowania o temperaturze 0,1°C.

Jest oczywiste, że powstawaniu SEI nieuchronnie towarzyszy wytwarzanie znacznych ilości gazu. Obecność zanieczyszczeń H2O destabilizuje wiązania P-F w LiPF6, prowadząc do powstania HF; destabilizuje to system akumulatorów i wytwarza gaz. Nadmiar H2O powoduje zużycie jonów Li+, wytwarzając LiOH, LiO2 i H2, co również powoduje wydzielanie się gazu. Wytwarzanie gazu ma miejsce także podczas przechowywania i długotrwałego-rozładowywania; w szczelnych akumulatorach litowo-jonowych-znaczne gromadzenie się gazu powoduje pęcznienie, pogarszając w ten sposób wydajność akumulatora i skracając jego żywotność. Główne przyczyny powstawania gazu podczas magazynowania są następujące:

(1) H2O obecna w układzie akumulatorów prowadzi do powstawania HF, które uszkadzają warstwę SEI. Tlen (O2) w układzie może utleniać elektrolit, powodując wytwarzanie dużych ilości CO2;
(2) Jeżeli warstwa SEI utworzona podczas początkowej aktywacji (formowania) jest niestabilna, może ulec degradacji podczas przechowywania; późniejsza naprawa warstwy SEI powoduje uwolnienie gazów składających się głównie z węglowodorów. Podczas długotrwałego-cyklu ładowania-rozładowania zmiany w strukturze krystalicznej materiału katody i nierównomierny-rozkład potencjału na powierzchni elektrody mogą powodować miejscowe powstawanie wysokich potencjałów. Zmniejsza to stabilność elektrolitu na styku elektrod; ciągłe pogrubienie warstwy powierzchniowej zwiększa opór międzyfazowy, dodatkowo zwiększając potencjał reakcji. Powoduje to rozkład elektrolitu i wytwarzanie gazu, podczas gdy sam materiał katody może również uwalniać gaz.

Baterie wykazują różny stopień pęcznienia w zależności od ich układów chemicznych. W akumulatorach wykorzystujących anody grafitowe głównymi przyczynami wytwarzania gazu i pęcznienia są-jak wspomniano wcześniej-tworzenie warstwy SEI, nadmierna zawartość wilgoci w ogniwie, anomalie w procesie formowania i słabe uszczelnienie. Z kolei w przypadku systemów anod z tytanianu litu (LTO) branża generalnie przypisuje wytwarzanie gazu w akumulatorach Li4Ti5O12 nieodłącznej tendencji materiału do pochłaniania wilgoci, chociaż nie ma ostatecznych dowodów potwierdzających tę hipotezę.

1. Słabe uszczelnienie:Częstość występowania obrzęków komórek spowodowanych wadami uszczelnienia znacznie spadła. Wady mogą wystąpić po dowolnej stronie uszczelnienia, przy czym najczęstszymi obszarami problemów są uszczelnienia górne i odgazowania; Problemy z górnym uszczelnieniem zwykle dotyczą obszaru zakładek, podczas gdy problemy z odgazowaniem często wiążą się z rozwarstwianiem. Słabe uszczelnienie umożliwia przedostawanie się wilgoci atmosferycznej do ogniwa, powodując rozkład elektrolitu i wytwarzanie gazu.

2. Uszkodzenia powierzchni woreczka:Podczas przepływu na linii produkcyjnej woreczek może ulec przypadkowym lub{0}indukowanym przez człowieka uszkodzeniom (takim jak dziurki), umożliwiając przedostanie się wilgoci do wnętrza ogniwa.

3. Uszkodzenia narożników:Ze względu na specyficzne odkształcenie warstwy aluminium w zagiętych rogach, ruch poduszki gazowej może spowodować skręcenie narożnika, uszkodzenie aluminium (większe ogniwa z większymi poduszkami gazowymi są na to bardziej podatne) i naruszenie bariery dla wilgoci. Nałożenie taśmy krepowej lub kleju-na gorąco w rogach może pomóc zmniejszyć to ryzyko. Ponadto zabronione jest manipulowanie ogniwami za worek gazowy po górnym zamknięciu; Podczas pracy należy zachować szczególną ostrożność, aby zapobiec kołysaniu się ogniw na starzejących się stojakach.

4. Nadmierna wilgotność wewnętrzna:Jeśli poziom wilgoci przekracza limit, elektrolit ulega degradacji, co prowadzi do wydzielania się gazu po utworzeniu lub odgazowaniu. Do głównych przyczyn nadmiernej wilgoci wewnętrznej zalicza się: wysoka zawartość wilgoci w elektrolicie, wysoka zawartość wilgoci w gołym ogniwie po wypieku oraz nadmierna wilgotność w suchym pomieszczeniu. Jeśli podejrzewa się, że przyczyną pęcznienia jest nadmierna wilgoć, można przeprowadzić kontrolę identyfikowalności procesu.

5. Anomalie procesu formowania:Nieprawidłowe procedury formowania mogą prowadzić do obrzęku komórek.

6. Niestabilna warstwa SEI:Nieznaczne puchnięcie może wystąpić podczas cykli-rozładowania podczas testowania pojemności. 7. Przeładowania/Nadmiernego-rozładowania: z powodu nieprawidłowego działania procesu, sprzętu lub płytki zabezpieczającej (PCB), ogniwo akumulatora ulega przeładowaniu lub nadmiernemu rozładowaniu, co powoduje poważne puchnięcie (wytwarzanie gazu).

8. Zwarcie:Błędy operacyjne powodujące stykanie się zakładek ogniw pod napięciem skutkują zwarciem; ogniwo puchnie, napięcie gwałtownie spada, a wypustki stają się zwęglone i czarne.

9. Wewnętrzne zwarcie:Zwarcie pomiędzy anodą i katodą wewnątrz ogniwa powoduje szybkie wyładowanie i wytwarzanie ciepła, któremu towarzyszy silne pęcznienie. Przyczyny obejmują wady projektowe; skurcz, zwijanie się lub uszkodzenie separatora; niewspółosiowość komórek bi-; zadziory przebijające separator; nadmierny nacisk na osprzęt; lub nadmierne-kompresja w-maszynie zgrzewającej. Na przykład niewystarczająca szerokość w połączeniu z nadmiernym ściskaniem korpusu ogniwa przez-zgrzewarkę powodowała już wcześniej zwarcie i pęcznienie anody-katody.

10. Korozja:Korozja ogniwa niszczy warstwę aluminium, niszcząc jej funkcję bariery dla wilgoci i prowadząc do pęcznienia.

11. Nieprawidłowe odgazowanie próżniowe:Problemy z systemem lub sprzętem skutkują nieprawidłowym poziomem próżni lub niepełnym odgazowaniem. Na przykład, jeśli strefa promieniowania cieplnego podczas zgrzewania próżniowego jest zbyt duża, narzędzie do przekłuwania odgazowującego może nie przebić skutecznie torebki, co spowoduje niepełne wydobycie gazu.

Ograniczenie nieprawidłowego wytwarzania gazów wymaga uwzględnienia zarówno projektu materiału, jak i procesów produkcyjnych.

Pierwszy,systemy materiałów i elektrolitów muszą być zoptymalizowane, aby zapewnić utworzenie gęstej, stabilnej warstwy międzyfazy stałego elektrolitu (SEI), zwiększyć stabilność materiału katody i zapobiec nieprawidłowemu wytwarzaniu gazu.

Jeśli chodzi o obróbkę elektrolitu, często stosuje się niewielkie ilości-dodatków błonotwórczych, aby powłoka SEI była bardziej jednolita i gęsta. Zmniejsza to wytwarzanie gazu spowodowane odrywaniem i regeneracją folii SEI podczas użytkowania akumulatora, łagodząc w ten sposób pęcznienie; metody te zostały udokumentowane w badaniach i stosowane w praktyce.

Badania wskazują, że składniki folii SEI utworzone przez EC (węglan etylenu) i VC (węglan winylenu) składają się z liniowych alkilowęglanów litu. W wysokich temperaturach alkilowęglany litu przyłączone do litowanego węgla (LiC) są niestabilne i rozkładają się, tworząc gazy (takie jak CO2), co prowadzi do pęcznienia akumulatora. Folia SEI utworzona przez PS składa się z alkilosulfonianu litu; chociaż folia zawiera defekty, ma pewną dwu-strukturę i pozostaje stosunkowo stabilna na powierzchni LiC nawet w wysokich temperaturach. Kiedy PS i VC stosuje się w połączeniu, PS tworzy wadliwą dwu-strukturę na powierzchni anody przy niższych napięciach; wraz ze wzrostem napięcia VC tworzy liniowo-strukturalny węglan litu alkilowy, który wypełnia defekty w-strukturze dwuwymiarowej, tworząc stabilną, sieciową-powłokę SEI na LiC. Ten typ struktury folii SEI znacznie zwiększa stabilność i skutecznie tłumi powstawanie gazu spowodowanego rozkładem folii.

Ponadto,interakcje pomiędzy materiałem katody z tlenku litu i kobaltu a elektrolitem prowadzą do produktów rozkładu, które katalizują rozkład rozpuszczalników elektrolitu. W rezultacie nałożenie powłoki powierzchniowej na materiał katody nie tylko poprawia stabilność strukturalną, ale także minimalizuje kontakt pomiędzy katodą a elektrolitem, zmniejszając w ten sposób wytwarzanie gazu spowodowane katalityczną aktywnością rozkładu katody. Dlatego utworzenie stabilnej, nienaruszonej warstwy powłoki na powierzchni cząstek materiału katody stanowi główny kierunek obecnego rozwoju.

Nowa Energiaspecjalizuje się w dostarczaniu kompleksowych rozwiązań dla pół-automatycznych/w pełni-automatycznych linii montażowych akumulatorów litowych stosowanych w ESS, UAV, E-rowerach, E-skuterach, elektronarzędziach, pojazdach dwu-/trzykołowych itp. Jeśli jesteś nowy w branży akumulatorów litowo-jonowych i chcesz zbudować własną linię do produkcji akumulatorów litowo-jonowych lub litowo-jonowylinia montażowa akumulatorów, możemy zapewnić Ci profesjonalne wsparcie techniczne i wskazówki, skontaktuj się z nami!

Skontaktuj się teraz