Proč buňky vaku bobtnají?

Existuje mnoho důvodů, proč pouzdrové -typ lithium-iontové baterie bobtnají. Na základě experimentálních zkušeností z výzkumu a vývoje lze příčiny bobtnání kategorizovat do tří typů: za prvé, nárůst tloušťky způsobený rozpínáním elektrod baterie během cyklování; za druhé, bobtnání způsobené tvorbou plynu v důsledku oxidačního rozkladu elektrolytu; a za třetí, bobtnání způsobené výrobními vadami, jako je pronikání vlhkosti v důsledku špatného těsnění nebo poškození v rozích buněk.

Dominantní faktory ovlivňující změny tloušťky baterie se liší v různých chemických složeních baterií. Například u baterií používajících lithiové anody (LTO) je primární příčinou bobtnání tvorba plynu; naproti tomu u baterií s grafitovými anodami přispívá k bobtnání jak expanze elektrodového listu, tak tvorba plynu.

Diskuse o faktorech a mechanismech ovlivňujících expanzi grafitové anody

Nárůst tloušťky článku během nabíjení lithium-iontových baterií je primárně připisován expanzi anody; rychlost expanze katody je pouze 2–4 %. Anody jsou typicky složeny z grafitu, pojiva a vodivého uhlíku, přičemž samotný grafitový materiál vykazuje rychlost expanze přibližně 10 %. Mezi klíčové faktory ovlivňující rychlost expanze grafitových anod patří tvorba filmu SEI (Solid Electrolyte Interphase), stav nabití (SOC), parametry procesu a další proměnné.

(1) Tvorba filmu SEI
Během počátečního nabíjecího-cyklu vybíjení lithium-iontové baterie dochází k redukční reakci mezi elektrolytem a částicemi grafitu na rozhraní pevná látka-kapalina, čímž se na materiálu elektrody vytvoří pasivační vrstva (film SEI). Tvorba filmu SEI vede k významnému nárůstu tloušťky anody, což přispívá k celkovému nárůstu tloušťky článku přibližně o 4 %. V průběhu dlouhodobého -cyklování ovlivňuje fyzická struktura a specifický povrch grafitu dynamický proces zahrnující rozpuštění stávající SEI a vytvoření nové SEI; například vločkový grafit vykazuje vyšší rychlost expanze než sférický grafit.

(2) Stav nabití (SOC)
Během procesu cyklování vykazuje objemová expanze grafitové anody silný periodický funkční vztah s SOC článku. Konkrétně se objem postupně rozšiřuje, jak ionty lithia interkalují do grafitu (zvyšují SOC buňky); naopak, když se ionty lithia de-interkalují z grafitové anody, SOC článku se sníží a objem grafitové anody se odpovídajícím způsobem zmenší.

(3) Parametry procesu
Pokud jde o parametry procesu, hustota zhutnění výrazně ovlivňuje grafitovou anodu. Během lisování elektrodového plechu za studena vzniká v potahové vrstvě grafitové anody značné tlakové napětí; tento stres je obtížné plně zmírnit během následujících kroků, jako je pečení při vysoké teplotě-. Během cyklu nabíjení-vybíjení způsobí kombinované účinky interkalace/de{5}}interkalace/de{5}}iontů lithia a elektrolytem-nabobtnání pojiva, uvolnění napětí v povlaku, což vede ke zvýšené expanzi. Kromě toho hustota zhutnění určuje objem dutin v povlaku anody. Velký prázdný objem může účinně pojmout expanzi elektrodového listu.

Naopak, je-li prázdný objem malý, není dostatek prostoru pro absorbování expanze; v důsledku toho je expanze vytlačena směrem ven, což se projevuje jako zvětšení celkového objemu anodového plechu.

(4) Další faktory
Mezi další faktory, které ovlivňují expanzi anody, patří adhezní síla pojiva (konkrétně adheze na rozhraní mezi pojivem, částicemi grafitu, vodivým uhlíkem a sběračem proudu), rychlost vybíjení-vybíjení, bobtnání pojiva v elektrolytu, tvar a hustota balení grafitových částic a zvětšování objemu elektrody v důsledku degradace pojiva během cyklování.

Acey New Energy se specializuje na výzkum a výrobu špičkových -zařízení pro lithium-iontové baterie. Můžeme poskytnout-jednotné řešení pro laboratorní-váhulinka na výrobu bateriípro cylindrickou baterii, knoflíkový článek, pouzdrový článek

Další hlavní příčinou otoku je tvorba plynu v baterii.

Baterie zažívají různé stupně tvorby plynu a bobtnání během cyklování při pokojové nebo vysoké teplotě a také při skladování při vysoké-tepletě.

Během počátečního nabíjecího-vybíjecího cyklu se na povrchu elektrody vytvoří mezifázový film SEI (Solid Electrolyte Interphase). Tvorba vrstvy SEI (Solid Electrolyte Interphase) na anodě je primárně důsledkem redukčního rozkladu EC (Ethylene Carbonate); tvorba alkyllithia a Li2CO3 je doprovázena produkcí značného množství CO a C2H4. Rozpouštědla jako DMC (dimethylkarbonát) a EMC (ethylmethylkarbonát) také přispívají k tvorbě filmu, přičemž spolu s plyny jako CH4, C2H6, C3H8 a CO uvolňují RLiCO3 a ROLi. U elektrolytů na bázi PC (Propylene karbonát)- je tvorba plynu relativně vyšší, a to především z důvodu snížení produkce plynu PC8. U sáčkových článků LiFePO4 je bobtnání plynu nejzávažnější po dokončení počátečního nabíjecího cyklu 0,1C.

Je zřejmé, že tvorba SEI je nevyhnutelně doprovázena tvorbou značného množství plynu. Přítomnost nečistot H2O destabilizuje vazby P-F v LiPF6, což vede k tvorbě HF; to destabilizuje bateriový systém a vytváří plyn. Nadměrné množství H2O spotřebovává ionty Li+ a vytváří LiOH, LiO2 a H2, což má také za následek vývoj plynu. K tvorbě plynu dochází také během skladování a dlouhodobého cyklu nabíjení{10}}vybíjení; v uzavřených lithium{11}}iontových bateriích způsobuje značné nahromadění plynu bobtnání, čímž se zhoršuje výkon baterie a zkracuje se její životnost. Hlavní důvody pro tvorbu plynu během skladování jsou následující:

(1) H2O přítomná v systému baterií vede k tvorbě HF, která poškozuje vrstvu SEI. Kyslík (O2) v systému může oxidovat elektrolyt, což má za následek vznik velkého množství CO2;
(2) Pokud je vrstva SEI vytvořená během počáteční aktivace (formace) nestabilní, může během skladování degradovat; následná oprava vrstvy SEI uvolňuje plyny sestávající převážně z uhlovodíků. Během dlouhodobého-cyklování nabíjení-vybíjení mohou změny v krystalické struktuře materiálu katody a-nerovnoměrné rozložení potenciálu po povrchu elektrody způsobit lokalizované vysoké potenciály. To snižuje stabilitu elektrolytu na rozhraní elektrody; kontinuální zahušťování povrchového filmu zvyšuje mezifázový odpor a dále zvyšuje reakční potenciál. To spouští rozklad elektrolytu a tvorbu plynu, zatímco samotný materiál katody může také uvolňovat plyn.

Baterie vykazují různé stupně bobtnání v závislosti na jejich chemickém systému. U baterií používajících grafitové anody jsou primárními příčinami tvorby plynu a bobtnání-jak již bylo zmíněno-tvorba vrstvy SEI, nadměrný obsah vlhkosti v článku, anomálie v procesu tvorby a špatné těsnění. Naproti tomu v rámci anodového systému lithiumtitanátu (LTO) průmysl obecně připisuje tvorbu plynu v bateriích Li4Ti5O12 přirozené tendenci materiálu absorbovat vlhkost, ačkoli neexistuje žádný definitivní důkaz, který by tuto hypotézu potvrdil.

1. Špatné těsnění:Výskyt oteklých buněk způsobených defekty těsnění se výrazně snížil. Vady se mohou vyskytnout na kterékoli straně těsnění, přičemž nejčastější problémové oblasti jsou horní těsnění a odplyňovací těsnění; problémy s horním těsněním obvykle zahrnují oblast poutka, zatímco problémy s odplyněním často zahrnují delaminaci. Špatné utěsnění umožňuje pronikání atmosférické vlhkosti do článku, což spouští rozklad elektrolytu a tvorbu plynu.

2. Poškození povrchu sáčku:Během toku na výrobní lince může dojít k náhodnému poškození nebo poškození způsobenému člověkem- (jako jsou dírky), což umožní vlhkosti proniknout dovnitř buňky.

3. Poškození rohu:V důsledku specifické deformace hliníkové vrstvy v ohnutých rozích může pohyb plynového vaku zkroutit roh, poškodit hliník (větší články s většími plynovými vaky jsou k tomu náchylnější) a narušit bariéru proti vlhkosti. Použití krepové pásky nebo tavného-lepidla v rozích může pomoci toto riziko zmírnit. Dále je zakázáno manipulovat s články plynovým vakem po horním utěsnění; Během provozu je třeba věnovat zvláštní pozornost tomu, aby se články ve stárnoucích stojanech nekývaly.

4. Nadměrný vnitřní obsah vlhkosti:Pokud úrovně vlhkosti překročí limity, elektrolyt degraduje, což vede k tvorbě plynu po vytvoření nebo odplynění. Mezi hlavní příčiny nadměrné vnitřní vlhkosti patří: vysoký obsah vlhkosti v elektrolytu, vysoký obsah vlhkosti v holém článku po pečení a nadměrná vlhkost v suché místnosti. Pokud je podezření, že příčinou bobtnání je nadměrná vlhkost, lze provést kontrolu sledovatelnosti procesu.

5. Anomálie procesu formování:Nesprávné postupy tvorby mohou vést k otoku buněk.

6. Nestabilní vrstva SEI:Během cyklů nabíjení-vybíjení při testování kapacity. 7. Přebití/Přebití- může dojít k mírnému nabobtnání: V důsledku selhání procesu, zařízení nebo ochranné desky (PCB) dochází k přebití nebo nadměrnému vybití článku baterie, což vede k silnému nabobtnání (vytváření plynu).

8. Zkrat:Provozní chyby způsobující kontakt mezi jazýčky živých buněk mají za následek zkrat; článek nabobtná, napětí rychle klesne a jazýčky zčernají.

9. Vnitřní zkrat:Zkrat mezi anodou a katodou uvnitř článku způsobí rychlé vybití a tvorbu tepla, doprovázené silným bobtnáním. Mezi příčiny patří konstrukční chyby; smrštění, zvlnění nebo poškození separátoru; nesprávné zarovnání bi-buněk; otřepy prorážející separátor; nadměrný tlak přípravku; nebo nad-kompresí tepelným-svařovacím strojem. Například nedostatečná šířka v kombinaci s nadměrným stlačením těla článku tepelným-svařovacím strojem dříve způsobila zkrat a bobtnání anody-katody.

10. Koroze:Koroze článku spotřebovává hliníkovou vrstvu, ničí její bariérovou funkci proti vlhkosti a vede k bobtnání.

11. Abnormální vakuové odplyňování:Problémy se systémem nebo zařízením mají za následek nesprávnou úroveň vakua nebo neúplné odplynění. Pokud je například zóna tepelného záření během vakuového utěsnění příliš velká, odplyňovací propichovací nástroj nemusí účinně propíchnout sáček, což má za následek neúplnou extrakci plynu.

Potlačení abnormální tvorby plynu vyžaduje řešení jak materiálového designu, tak výrobních procesů.

První,materiálové a elektrolytové systémy musí být optimalizovány, aby se zajistila tvorba hustého, stabilního mezifázového filmu pevných elektrolytů (SEI), zlepšila se stabilita materiálu katody a zabránilo se abnormální tvorbě plynu.

Pokud jde o úpravu elektrolytů, často se používají malá množství filmotvorných-aditiv, aby byl film SEI jednotnější a hustší. To snižuje tvorbu plynu způsobenou oddělováním a regenerací filmu SEI během používání baterie, čímž se zmírňuje bobtnání; takové metody byly zdokumentovány ve výzkumu a aplikovány v praxi.

Výzkum ukazuje, že složky filmu SEI tvořené EC (ethylenkarbonát) a VC (vinylenkarbonát) se skládají z lineárních alkylkarbonátů lithných. Při vysokých teplotách jsou alkylkarbonáty lithia připojené k lithiovému uhlíku (LiC) nestabilní a rozkládají se za vzniku plynů (jako je CO2), což vede k bobtnání baterie. Film SEI tvořený PS sestává z alkylsulfonátu lithného; ačkoli film obsahuje defekty, má určitou dvourozměrnou strukturu a zůstává relativně stabilní na povrchu LiC i při vysokých teplotách. Když jsou PS a VC použity v kombinaci, PS tvoří vadnou dvourozměrnou strukturu na povrchu anody při nižších napětích; jak napětí stoupá, VC tvoří lineární-strukturovaný lithiumalkylkarbonát, který vyplňuje defekty ve dvou-rozměrné struktuře, což vede ke stabilnímu, síťově{8}}strukturovanému filmu SEI na LiC. Tento typ struktury filmu SEI výrazně zvyšuje stabilitu a účinně potlačuje tvorbu plynu způsobenou rozkladem filmu.

dáleinterakce mezi katodovým materiálem lithium kobaltoxidu a elektrolytem vedou k rozkladným produktům, které katalyzují rozklad elektrolytových rozpouštědel. V důsledku toho nanášení povrchového povlaku na materiál katody nejen zlepšuje strukturální stabilitu, ale také minimalizuje kontakt mezi katodou a elektrolytem, ​​čímž se snižuje tvorba plynu řízená aktivitou katalytického rozkladu katody. Proto tvorba stabilní, neporušené povlakové vrstvy na povrchu částic katodového materiálu představuje hlavní směr současného vývoje.

Acey Nová energiese specializuje na poskytování jednorázových{0}}řešení pro polo-automatické/plně{2}}automatické montážní linky lithiových baterií používaných v ESS, UAV, E-kolech, E-koloběžkách, elektrických nářadích, dvou/tříkolových vozidlech atd. Pokud jste nováčci v oblasti výroby lithium-iontových baterií vlastními silami nebo si chcete vyrobit lithium-iontovou bateriimontážní linka baterie, můžeme vám poskytnout profesionální technickou podporu a vedení, neváhejte nás kontaktovat!

Kontaktujte nyní