De ce celulele pungilor se umflă?

Există multe motive pentru care bateriile de tip pungă-litiu-ion se umflă. Pe baza experienței experimentale în cercetare și dezvoltare, cauzele umflăturii pot fi clasificate în trei tipuri: în primul rând, o creștere a grosimii cauzată de extinderea foilor electrozilor bateriei în timpul ciclării; în al doilea rând, umflarea cauzată de generarea de gaz rezultată din descompunerea oxidativă a electrolitului; și în al treilea rând, umflarea cauzată de defecte de fabricație, cum ar fi pătrunderea umezelii din cauza etanșării proaste sau a deteriorării colțurilor celulei.

Factorii dominanti care determină modificări ale grosimii bateriei variază în funcție de chimia bateriei. De exemplu, în bateriile care utilizează anozi de titanat de litiu (LTO), generarea de gaz este cauza principală a umflăturii; în schimb, pentru bateriile cu anozi de grafit, atât expansiunea foii electrodului, cât și generarea de gaz contribuie la umflare.

Discuții despre factorii și mecanismele care afectează extinderea anodului de grafit

Creșterea grosimii celulei în timpul încărcării bateriilor cu litiu-ion este atribuită în primul rând expansiunii anodului; rata de expansiune a catodului este de numai 2–4%. Anozii sunt în mod obișnuit alcătuiți din grafit, un liant și carbon conductor, materialul de grafit însuși prezentând o rată de expansiune de aproximativ 10%. Factorii cheie care influențează rata de expansiune a anozilor de grafit includ formarea peliculei SEI (Solid Electrolyte Interphase), starea de încărcare (SOC), parametrii procesului și alte variabile.

(1) SEI Film Formation
În timpul ciclului inițial de încărcare-descărcare al unei baterii cu-ion de litiu, are loc o reacție de reducere între electrolit și particulele de grafit la interfața solid-lichid, formând un strat de pasivare (filmul SEI) peste materialul electrodului. Formarea peliculei SEI duce la o creștere semnificativă a grosimii anodului, contribuind la o creștere generală a grosimii celulei de aproximativ 4%. Pe parcursul ciclării pe termen lung, structura fizică și suprafața specifică a grafitului influențează un proces dinamic care implică dizolvarea SEI existentă și formarea de noi SEI; de exemplu, grafitul în fulgi prezintă o rată de expansiune mai mare decât grafitul sferic.

(2) Starea de taxare (SOC)
În timpul procesului de ciclizare, expansiunea de volum a anodului de grafit prezintă o relație funcțională periodică puternică cu SOC al celulei. Mai exact, volumul se extinde treptat pe măsură ce ionii de litiu se intercalează în grafit (creșterea SOC al celulei); invers, atunci când ionii de litiu se intercalează de la anodul de grafit, SOC al celulei scade, iar volumul anodului de grafit se micșorează în consecință.

(3) Parametrii procesului
În ceea ce privește parametrii procesului, densitatea de compactare are un impact semnificativ asupra anodului de grafit. În timpul presării la rece a foii de electrod, în stratul de acoperire a anodului de grafit se dezvoltă un stres de compresiune substanțial; acest stres este greu de atenuat complet în timpul etapelor ulterioare, cum ar fi coacerea la temperatură înaltă-. În timpul ciclului de încărcare-descărcare, efectele combinate ale intercalării/de-intercalării litiului-ionului și umflării liantului indusă de electrolit-determină eliberarea tensiunii din interiorul acoperirii, ceea ce duce la creșterea expansiunii. Mai mult, densitatea de compactare determină volumul de gol din interiorul acoperirii anodului. Un volum mare de gol poate găzdui eficient expansiunea foii electrodului.

În schimb, dacă volumul golului este mic, nu există spațiu suficient pentru a absorbi expansiunea; în consecință, dilatarea este forțată spre exterior, manifestându-se ca o creștere a volumului total al foii anodice.

(4) Alți factori
Alți factori care influențează expansiunea anodului includ puterea de aderență a liantului (în special aderența interfacială dintre liant, particulele de grafit, carbonul conductor și colectorul de curent), ratele de descărcare-, comportamentul de umflare a liantului în electrolit, forma și densitatea de împachetare a particulelor de grafit și degradarea volumului electrodului rezultată din creșterea volumului electrodului.

Acey New Energy este specializată în cercetarea și producția de echipamente de ultimă generație pentru baterii cu litiu-ion. Putem oferi o-soluție unică pentru-la scară de laboratorlinie de producție a bateriilorpentru baterie cilindrică, pilă monedă, celulă husă

Generarea de gaz în baterie este o altă cauză majoră a umflăturilor.

Bateriile se confruntă cu grade diferite de generare de gaz și umflare în timpul ciclării la temperaturi înalte sau în cameră, precum și în timpul depozitării la-temperatură ridicată.

În timpul ciclului inițial de încărcare-descărcare, pe suprafața electrodului se formează o peliculă cu interfaza de electrolit solid (SEI). Formarea stratului SEI (Solid Electrolyte Interphase) pe anod rezultă în primul rând din descompunerea reductivă a EC (carbonat de etilenă); generarea de alchil litiu și Li2CO3 este însoțită de producerea unor cantități semnificative de CO și C2H4. Solvenții precum DMC (carbonatul de dimetil) și EMC (carbonatul de etil metil) contribuie, de asemenea, la formarea peliculei, producând RLiCO3 și ROLi alături de gaze precum CH4, C2H6, C3H8 și CO. În electroliții pe bază de PC (carbonat de propilenă)-, generarea de gaz este relativ mai mare, în principal datorită producției de gaz din reducerea PC38. Pentru celulele cu pungă LiFePO4, umflarea gazului este cea mai severă după finalizarea ciclului inițial de încărcare de 0,1C.

Este evident că formarea SEI este inevitabil însoțită de generarea de cantități substanțiale de gaz. Prezența impurităților de H2O destabiliza legăturile P-F din LiPF6, ducând la formarea de HF; aceasta destabilizează sistemul de baterii și generează gaz. Excesul de H2O consumă ioni Li+, producând LiOH, LiO2 și H2, ceea ce duce, de asemenea, la degajare de gaze. Generarea de gaz are loc și în timpul stocării și în timpul ciclurilor prelungite de încărcare{10}}descărcare; în bateriile sigilate cu litiu-ion, acumularea semnificativă de gaz provoacă umflare, afectând astfel performanța bateriei și scurtând durata de viață a acesteia. Motivele principale pentru generarea de gaze în timpul depozitării sunt următoarele:

(1) H2O prezent în sistemul de baterii duce la formarea HF, care deteriorează stratul SEI. Oxigenul (O2) din sistem poate oxida electrolitul, rezultând generarea de cantități mari de CO2;
(2) Dacă stratul SEI format în timpul activării (formației) inițiale este instabil, se poate degrada în timpul depozitării; repararea ulterioară a stratului SEI eliberează gaze constând în principal din hidrocarburi. În timpul ciclului de-încărcare-descărcare pe termen lung, modificările structurii cristaline a materialului catodic și distribuția ne-uniformă a potențialului pe suprafața electrodului pot cauza potențiale înalte localizate. Aceasta reduce stabilitatea electrolitului la interfața electrodului; îngroșarea continuă a peliculei de suprafață crește rezistența interfacială, crescând și mai mult potențialul de reacție. Acest lucru declanșează descompunerea electroliților și generarea de gaz, în timp ce materialul catodic în sine poate elibera gaz.

Bateriile prezintă grade diferite de umflare în funcție de sistemele lor chimice. În bateriile care utilizează anozi de grafit, cauzele principale ale generării și umflării gazului sunt-după cum sa menționat anterior-formarea stratului SEI, conținutul excesiv de umiditate în celulă, anomaliile în procesul de formare și etanșarea slabă. În schimb, în ​​cadrul sistemului anodic de titanat de litiu (LTO), industria atribuie în general generarea de gaz în bateriile Li4Ti5O12 tendinței inerente a materialului de a absorbi umiditatea, deși nu există dovezi definitive care să confirme această ipoteză.

1. Etanșare slabă:Incidența celulelor umflate cauzate de defecte de etanșare a scăzut semnificativ. Defectele pot apărea pe orice parte de etanșare, etanșarea superioară și etanșările de degazare fiind zonele cu probleme cele mai frecvente; problemele superioare de etanșare implică de obicei zona filetului, în timp ce problemele de degazare implică adesea delaminarea. Etanșarea slabă permite pătrunderea umidității atmosferice în celulă, declanșând descompunerea electroliților și generarea de gaz.

2. Deteriorarea suprafeței pungii:În timpul fluxului liniei de producție, punga poate suferi daune accidentale sau cauzate de oameni-(cum ar fi găuri), permițând umezelii să pătrundă în interiorul celulei.

3. Deteriorarea colțului:Datorita deformarii specifice a stratului de aluminiu la colturile pliate, miscarea pungii de gaz poate rasuci coltul, deteriorand aluminiul (celule mai mari cu saci de gaz mai mari sunt mai predispuse la acest lucru) si compromitand bariera de umezeala. Aplicarea de bandă creponată sau adeziv-fierbinte la colțuri poate ajuta la atenuarea acestui risc. În plus, este interzisă manipularea celulelor de punga de gaz după sigilarea superioară; O atenție deosebită trebuie acordată în timpul funcționării pentru a preveni balansarea celulelor în timp ce se află pe rafturile învechite.

4. Conținut excesiv de umiditate internă:Dacă nivelul de umiditate depășește limitele, electrolitul se degradează, ducând la generarea de gaz după formare sau degazare. Cauzele principale ale umidității interne excesive includ: conținut ridicat de umiditate în electrolit, conținut ridicat de umiditate în celula goală după coacere și umiditate excesivă în camera uscată. Dacă se suspectează că umiditatea excesivă este cauza umflăturilor, poate fi efectuată o verificare a trasabilității procesului.

5. Anomalii ale procesului de formare:Procedurile de formare incorecte pot duce la umflarea celulelor.

6. Strat SEI instabil:Poate apărea o ușoară umflare în timpul ciclurilor de încărcare-descărcare ale testării capacității. 7. Supraîncărcare/supra-descărcare: din cauza defecțiunilor procesului, echipamentului sau plăcii de circuite de protecție (PCB), celula bateriei suferă supraîncărcare sau descărcare excesivă, ceea ce duce la umflare severă (generare de gaz).

8. Scurtcircuit:Erorile de funcționare care provoacă contactul între filele celulelor active duc la un scurtcircuit; celula se umflă, tensiunea scade rapid, iar lamelele devin carbonizate negre.

9. Scurtcircuit intern:Un scurtcircuit între anod și catod din interiorul celulei determină descărcarea rapidă și generarea de căldură, însoțită de umflare severă. Cauzele includ defecte de proiectare; contracția, curbarea sau deteriorarea separatorului; nealinierea celulelor bi-; bavuri perforand separatorul; presiune excesivă asupra dispozitivului; sau supra-compresie de către mașina-de etanșare termică. De exemplu, lățimea insuficientă combinată cu comprimarea excesivă a corpului celulei de către mașina de etanșare termică a cauzat anterior scurtcircuitarea și umflarea anodului-catodului.

10. Coroziune:Coroziunea celulei consumă stratul de aluminiu, distrugându-i funcția de barieră la umezeală și ducând la umflare.

11. Degazare anormală în vid:Problemele cu sistemul sau echipamentul au ca rezultat niveluri necorespunzătoare de vid sau degazare incompletă. De exemplu, dacă zona de radiație termică în timpul etanșării în vid este prea mare, instrumentul de perforare de degazare poate să nu perforeze eficient punga, ducând la extracția incompletă a gazului.

Suprimarea generării anormale de gaz necesită abordarea atât a proceselor de proiectare a materialelor, cât și a proceselor de fabricație.

Primul,sistemele de materiale și electroliți trebuie optimizate pentru a asigura formarea unui film dens și stabil cu interfaza de electroliți solidi (SEI), pentru a îmbunătăți stabilitatea materialului catodic și pentru a inhiba generarea anormală de gaz.

În ceea ce privește tratamentul cu electroliți, cantități mici de aditivi-formatori de peliculă sunt adesea folosite pentru a face filmul SEI mai uniform și mai dens. Acest lucru reduce generarea de gaz cauzată de desprinderea și regenerarea peliculei SEI în timpul utilizării bateriei, atenuând astfel umflarea; astfel de metode au fost documentate în cercetare și aplicate în practică.

Cercetările indică faptul că componentele filmului SEI formate din EC (carbonat de etilenă) și VC (carbonat de vinilen) constau din carbonați de alchil de litiu liniari. La temperaturi ridicate, carbonații de alchil de litiu atașați carbonului litiat (LiC) sunt instabili și se descompun pentru a genera gaze (cum ar fi CO2), ducând la umflarea bateriei. Filmul SEI format din PS constă din alchil sulfonat de litiu; deși filmul conține defecte, posedă o anumită structură bi-dimensională și rămâne relativ stabilă pe suprafața LiC chiar și la temperaturi ridicate. Când PS și VC sunt utilizate în combinație, PS formează o structură bi-dimensională defectuoasă pe suprafața anodului la tensiuni mai mici; pe măsură ce tensiunea crește, VC formează un alchil-carbonat de litiu structurat liniar-care umple defectele structurii bi-dimensionale, rezultând un film SEI stabil, structurat-în rețea pe LiC. Acest tip de structură de film SEI îmbunătățește semnificativ stabilitatea și suprimă eficient generarea de gaz cauzată de descompunerea filmului.

În plus,interacțiunile dintre materialul catodului de oxid de litiu cobalt și electrolit conduc la produși de descompunere care catalizează descompunerea solvenților electroliți. În consecință, aplicarea unei acoperiri de suprafață pe materialul catodului nu numai că îmbunătățește stabilitatea structurală, ci și minimizează contactul dintre catod și electrolit, reducând astfel generarea de gaz determinată de activitatea de descompunere catalitică a catodului. Prin urmare, formarea unui strat de acoperire stabil, intact pe suprafața particulelor de material catodic reprezintă o direcție majoră pentru dezvoltarea curentă.

Acey New Energyeste specializată în furnizarea de soluții unice-stop-stop pentru liniile de asamblare semi{-complet-automate ale pachetelor de baterii cu litiu utilizate în ESS, UAV, E-biciclete, E-scutere, scule electrice, două/trei roți etc. ion de litiulinia de asamblare a pachetului de baterii, vă putem oferi asistență tehnică și îndrumări profesionale, vă rugăm să nu ezitați să ne contactați!

Contactați acum