Hvorfor svulmer poseceller?

Der er mange grunde til, at pose-lithium-ion-batterier svulmer. Baseret på eksperimentelle F&U-erfaringer kan årsagerne til hævelse kategoriseres i tre typer: For det første en stigning i tykkelse forårsaget af udvidelsen af ​​batterielektrodeplader under cykling; for det andet hævelse forårsaget af gasdannelse som følge af den oxidative nedbrydning af elektrolytten; og for det tredje hævelse forårsaget af fabrikationsfejl, såsom fugtindtrængning på grund af dårlig tætning eller beskadigelse af cellehjørnerne.

De dominerende faktorer, der driver ændringer i batteritykkelsen, varierer på tværs af forskellige batterikemier. For eksempel i batterier, der anvender lithium titanat (LTO) anoder, er gasdannelse den primære årsag til hævelse; i modsætning hertil, for batterier med grafitanoder, bidrager både elektrodepladeudvidelse og gasdannelse til kvældning.

Diskussion om faktorer og mekanismer, der påvirker grafitanodeudvidelse

Stigningen i celletykkelse under opladning af lithium-ionbatterier tilskrives primært anodens udvidelse; katodens ekspansionshastighed er kun 2-4%. Anoder er typisk sammensat af grafit, et bindemiddel og ledende kulstof, hvor selve grafitmaterialet udviser en ekspansionshastighed på ca. 10%. Nøglefaktorer, der påvirker udvidelseshastigheden af ​​grafitanoder, omfatter SEI (Solid Electrolyte Interphase) filmdannelse, ladningstilstanden (SOC), procesparametre og andre variabler.

(1) SEI-filmdannelse
Under den indledende opladnings-afladningscyklus af et lithium-ionbatteri sker der en reduktionsreaktion mellem elektrolytten og grafitpartiklerne ved den faste-væskegrænseflade, der danner et passiveringslag (SEI-filmen) over elektrodematerialet. Dannelsen af ​​SEI-filmen fører til en signifikant stigning i anodetykkelsen, hvilket bidrager til en samlet stigning i celletykkelsen på ca. 4%. I løbet af langvarig-cykling påvirker grafittens fysiske struktur og specifikke overfladeareal en dynamisk proces, der involverer opløsningen af ​​den eksisterende SEI og dannelsen af ​​ny SEI; f.eks. udviser flagegrafit en højere ekspansionshastighed end sfærisk grafit.

(2) Charge State of Charge (SOC)
Under cyklingsprocessen udviser volumenudvidelsen af ​​grafitanoden et stærkt periodisk funktionelt forhold til cellens SOC. Specifikt udvider volumenet sig gradvist, efterhånden som lithium-ioner interkaleres i grafitten (øger cellens SOC); omvendt, når lithiumioner de-interkaleres fra grafitanoden, falder cellens SOC, og grafitanodevolumenet krymper tilsvarende.

(3) Procesparametre
Med hensyn til procesparametre påvirker komprimeringstætheden grafitanoden betydeligt. Under koldpresningen af ​​elektrodepladen udvikles der betydelig trykspænding inden i grafitanodecoatinglaget; denne stress er svær at afhjælpe helt under efterfølgende trin, såsom bagning ved høj-temperatur. Under ladnings-afladningscyklus forårsager de kombinerede virkninger af lithium-ion-interkalation/de-interkalation og elektrolyt-induceret kvældning af bindemidlet, at spændingen i belægningen frigøres, hvilket fører til øget ekspansion. Ydermere bestemmer komprimeringsdensiteten hulrumsvolumenet i anodebelægningen. Et stort hulrumsvolumen kan effektivt rumme udvidelsen af ​​elektrodepladen.

Omvendt, hvis tomrummet er lille, er der utilstrækkelig plads til at absorbere ekspansionen; følgelig tvinges ekspansionen udad, hvilket viser sig som en stigning i det samlede volumen af ​​anodepladen.

(4) Andre faktorer
Andre faktorer, der påvirker anodeudvidelsen, omfatter bindemidlets adhæsionsstyrke (specifikt grænsefladeadhæsionen mellem bindemidlet, grafitpartikler, ledende kulstof og strømopsamleren), ladnings-afladningshastigheder, kvældningsadfærden af ​​bindemidlet i elektrolytten, formen og pakningsdensiteten af ​​grafitpartiklernes stigning under nedbrydning af bindingen, og elektrolytvolumenforøgelser, som følge af nedbrydning af grafitpartikler.

Acey New Energy er specialiseret i forskning og fremstilling af high-udstyr til lithium-ion-batterier. Vi kan levere one-løsning til laboratorie-skalabatteri produktionslinjetil cylindrisk batteri, møntcelle, posecelle

Gasdannelse i batteriet er en anden væsentlig årsag til hævelse.

Batterier oplever forskellige grader af gasdannelse og hævelse under cykling ved stuetemperaturer eller høje temperaturer samt under høj-temperaturopbevaring.

Under den indledende opladnings-afladningscyklus dannes en Solid Electrolyte Interphase (SEI) film på elektrodeoverfladen. Dannelsen af ​​SEI-laget (Solid Electrolyte Interphase) på anoden skyldes primært den reduktive nedbrydning af EC (ethylencarbonat); dannelsen af ​​alkyllithium og Li2CO3 ledsages af produktionen af ​​betydelige mængder CO og C2H4. Opløsningsmidler såsom DMC (Dimethyl Carbonate) og EMC (Ethyl Methyl Carbonate) bidrager også til filmdannelse og giver RLiCO3 og ROLi sammen med gasser som CH4, C2H6, C3H8 og CO. I PC (propylenkarbonat)-baserede elektrolytter er gasproduktionen primært relativt højere, fra PCH-produktionen er relativt højere til PCH. For LiFePO4-poseceller er gashævelse mest alvorlig efter afslutningen af ​​den indledende 0,1C opladningscyklus.

Det er tydeligt, at SEI-dannelse uundgåeligt er ledsaget af generering af betydelige mængder gas. Tilstedeværelsen af ​​H2O-urenheder destabiliserer P-F-bindingerne i LiPF6, hvilket fører til dannelsen af ​​HF; dette destabiliserer batterisystemet og genererer gas. For meget H2O forbruger Li+ ioner og producerer LiOH, LiO2 og H2, hvilket også resulterer i gasudvikling. Gasgenerering forekommer også under opbevaring og langvarig opladning{10}}. i forseglede lithium-ion-batterier forårsager betydelig gasophobning hævelse, hvilket forringer batteriets ydeevne og forkorter dets levetid. De primære årsager til gasdannelse under opbevaring er som følger:

(1) H2O til stede i batterisystemet fører til HF-dannelse, som beskadiger SEI-laget. Ilt (O2) i systemet kan oxidere elektrolytten, hvilket resulterer i dannelse af store mængder CO2;
(2) Hvis SEI-laget dannet under indledende aktivering (dannelse) er ustabilt, kan det nedbrydes under opbevaring; den efterfølgende reparation af SEI-laget frigiver gasser, der primært består af kulbrinter. Under lang-opladnings-afladningscyklus kan ændringer i katodematerialets krystallinske struktur og u-ensartet potentialfordeling hen over elektrodeoverfladen forårsage lokaliserede høje potentialer. Dette reducerer stabiliteten af ​​elektrolytten ved elektrodegrænsefladen; den kontinuerlige fortykkelse af overfladefilmen øger grænseflademodstanden, hvilket øger reaktionspotentialet yderligere. Dette udløser elektrolytnedbrydning og gasdannelse, mens selve katodematerialet også kan frigive gas.

Batterier udviser forskellige grader af hævelse afhængigt af deres kemiske systemer. I batterier, der anvender grafitanoder, er de primære årsager til gasdannelse og kvældning -som tidligere nævnt-SEI-lagdannelse, for højt fugtindhold i cellen, uregelmæssigheder i dannelsesprocessen og dårlig tætning. I modsætning hertil, inden for lithium titanat (LTO) anode systemet, tilskriver industrien generelt gasgenerering i Li4Ti5O12 batterier til materialets iboende tendens til at absorbere fugt, selvom der ikke er noget endeligt bevis for at bekræfte denne hypotese.

1. Dårlig tætning:Forekomsten af ​​hævede celler forårsaget af forseglingsdefekter er faldet betydeligt. Defekter kan forekomme på enhver tætningsside, hvor toptætning og afgasningstætninger er de mest almindelige problemområder; topforseglingsproblemer involverer normalt fligområdet, mens afgasningsproblemer ofte involverer delaminering. Dårlig tætning tillader atmosfærisk fugt at komme ind i cellen, hvilket udløser elektrolytnedbrydning og gasdannelse.

2. Skader på posens overflade:Under produktionslinjeflowet kan posen blive påført utilsigtet eller menneskeskabt-skade (såsom nålehuller), hvilket tillader fugt at trænge ind i cellens indre.

3. Hjørneskade:På grund af den specifikke deformation af aluminiumslaget ved de foldede hjørner, kan bevægelse af gasposen vride hjørnet, beskadige aluminiumet (større celler med større gasposer er mere tilbøjelige til dette) og kompromittere fugtbarrieren. Påføring af crepetape eller varm-smelteklæber i hjørnerne kan hjælpe med at mindske denne risiko. Endvidere er håndtering af celler ved gasposen efter topforsegling forbudt; Der skal udvises særlig forsigtighed under driften for at forhindre, at cellerne svajer, mens de er på aldrende stativer.

4. For højt indre fugtindhold:Hvis fugtniveauet overskrider grænserne, nedbrydes elektrolytten, hvilket fører til gasdannelse efter dannelse eller afgasning. Primære årsager til overdreven indre fugt omfatter: højt fugtindhold i elektrolytten, højt fugtindhold i den nøgne celle efter bagning og for høj luftfugtighed i det tørre rum. Hvis der er mistanke om overdreven fugt som årsag til hævelse, kan der udføres en processporbarhedskontrol.

5. Anomalier i dannelsesprocessen:Forkerte dannelsesprocedurer kan føre til cellehævelse.

6. Ustabilt SEI-lag:Der kan forekomme let hævelse under opladnings-afladningscyklusserne for kapacitetstestning. 7. Overopladning/Over-afladning: På grund af proces-, udstyrs- eller beskyttelseskredsløbsfejl (PCB) gennemgår battericellen overopladning eller overdreven afladning, hvilket resulterer i alvorlig hævelse (gasdannelse).

8. Kortslutning:Driftsfejl, der forårsager kontakt mellem de levende cellefaner, resulterer i en kortslutning; cellen svulmer, spændingen falder hurtigt, og tappene bliver forkullede sorte.

9. Intern kortslutning:En kortslutning mellem anoden og katoden inde i cellen forårsager hurtig afladning og varmeudvikling, ledsaget af alvorlig hævelse. Årsager omfatter designfejl; separator krympning, krølning eller beskadigelse; fejljustering af bi-celler; grater, der punkterer separatoren; overdreven armaturtryk; eller over-komprimering af varme-forseglingsmaskinen. For eksempel har utilstrækkelig bredde kombineret med overdreven komprimering af cellelegemet af varme-forseglingsmaskinen tidligere forårsaget anode-katodekortslutning og kvældning.

10. Korrosion:Korrosion af cellen forbruger aluminiumslaget, ødelægger dets fugtbarrierefunktion og fører til hævelse.

11. Unormal vakuumafgasning:System- eller udstyrsproblemer resulterer i forkerte vakuumniveauer eller ufuldstændig afgasning. For eksempel, hvis varmestrålingszonen under vakuumforsegling er for stor, kan afgasningsgennemboringsværktøjet ikke effektivt punktere posen, hvilket resulterer i ufuldstændig gasudvinding.

Undertrykkelse af unormal gasgenerering kræver, at der tages fat på både materialedesign og fremstillingsprocesser.

Først,materiale- og elektrolytsystemer skal optimeres for at sikre dannelsen af ​​en tæt, stabil Solid Electrolyte Interphase (SEI) film, forbedre katodematerialets stabilitet og forhindre unormal gasdannelse.

Med hensyn til elektrolytbehandling bruges der ofte små mængder filmdannende tilsætningsstoffer- for at gøre SEI-filmen mere ensartet og tæt. Dette reducerer gasdannelse forårsaget af SEI-filmløsning og regenerering under batteribrug, hvorved hævelse mindskes; sådanne metoder er blevet dokumenteret i forskning og anvendt i praksis.

Forskning viser, at SEI-filmkomponenterne dannet af EC (ethylencarbonat) og VC (vinylencarbonat) består af lineære lithiumalkylcarbonater. Ved høje temperaturer er lithiumalkylcarbonaterne bundet til det lithierede kulstof (LiC) ustabile og nedbrydes for at generere gasser (såsom CO2), hvilket fører til batterihævelse. SEI-filmen dannet af PS består af lithiumalkylsulfonat; selvom filmen indeholder defekter, besidder den en vis to-struktur og forbliver relativt stabil på LiC-overfladen selv ved høje temperaturer. Når PS og VC bruges i kombination, danner PS en defekt to-dimensionel struktur på anodeoverfladen ved lavere spændinger; efterhånden som spændingen stiger, danner VC en lineær-struktureret lithiumalkylcarbonat, der udfylder defekterne i den to-dimensionelle struktur, hvilket resulterer i en stabil, netværksstruktureret-SEI-film på LiC. Denne type SEI-filmstruktur forbedrer stabiliteten betydeligt og undertrykker effektivt gasdannelse forårsaget af filmnedbrydning.

Desudeninteraktioner mellem lithium-coboltoxid-katodematerialet og elektrolytten fører til nedbrydningsprodukter, der katalyserer nedbrydningen af ​​elektrolytopløsningsmidler. Følgelig forbedrer påføring af en overfladebelægning på katodematerialet ikke kun den strukturelle stabilitet, men minimerer også kontakten mellem katoden og elektrolytten, hvorved gasdannelse drevet af katodens katalytiske nedbrydningsaktivitet reduceres. Derfor repræsenterer dannelsen af ​​et stabilt, intakt belægningslag på overfladen af ​​katodematerialepartikler en hovedretning for den nuværende udvikling.

Acey New Energyspecialiseret sig i at levere one-løsninger til semi-automatiske/helt-automatiske samlebånd af lithiumbatteripakker, der bruges i ESS, UAV, E-Bike, E-Scooter, elværktøj, to/tre hjul osv. Hvis du er ny inden for lithium- og batteriproduktion, eller vil bygge din egen lithium-industri eller batteri. lithium-ionbatteripakke samlebånd, vi kan give dig professionel teknisk support og vejledning, er du velkommen til at kontakte os!

Kontakt nu