Hvorfor sveller poseceller?

Det er mange grunner til at pose-litium-ion-batterier sveller. Basert på eksperimentell FoU-erfaring, kan årsakene til hevelse kategoriseres i tre typer: For det første en økning i tykkelse forårsaket av utvidelse av batterielektrodeark under sykling; for det andre, svelling forårsaket av gassutvikling som følge av oksidativ nedbrytning av elektrolytten; og for det tredje, hevelse forårsaket av produksjonsfeil, slik som fuktinntrengning på grunn av dårlig forsegling eller skade ved cellehjørnene.

De dominerende faktorene som driver endringer i batteritykkelse varierer på tvers av forskjellige batterikjemier. For eksempel, i batterier som bruker litiumtitanat (LTO) anoder, er gassgenerering den primære årsaken til hevelse; i motsetning til dette, for batterier med grafittanoder, bidrar både ekspansjon av elektrodeark og gassutvikling til svelling.

Diskusjon om faktorer og mekanismer som påvirker grafittanodeutvidelse

Økningen i celletykkelse under lading av litium-ionbatterier tilskrives først og fremst utvidelsen av anoden; ekspansjonshastigheten til katoden er bare 2–4 %. Anoder er typisk sammensatt av grafitt, et bindemiddel og ledende karbon, med selve grafittmaterialet som viser en ekspansjonshastighet på omtrent 10 %. Nøkkelfaktorer som påvirker ekspansjonshastigheten til grafittanoder inkluderer SEI (Solid Electrolyte Interphase) filmdannelse, ladningstilstanden (SOC), prosessparametere og andre variabler.

(1) SEI-filmformasjon
Under den første ladnings-utladingssyklusen til et litium-ionbatteri oppstår en reduksjonsreaksjon mellom elektrolytten og grafittpartiklene ved det faste-væskegrensesnittet, og danner et passiveringslag (SEI-filmen) over elektrodematerialet. Dannelsen av SEI-filmen fører til en betydelig økning i anodetykkelse, noe som bidrar til en total økning i celletykkelse på omtrent 4 %. I løpet av lang-sykling påvirker den fysiske strukturen og det spesifikke overflatearealet til grafitten en dynamisk prosess som involverer oppløsningen av den eksisterende SEI og dannelsen av ny SEI; f.eks. har flakgrafitt en høyere ekspansjonshastighet enn sfærisk grafitt.

(2) Charge State of Charge (SOC)
Under syklusprosessen viser volumutvidelsen av grafittanoden et sterkt periodisk funksjonelt forhold til cellens SOC. Spesifikt utvides volumet gradvis ettersom litiumioner interkalerer inn i grafitten (øker cellens SOC); omvendt, når litiumioner de-interkalerer fra grafittanoden, synker cellens SOC, og grafittanodevolumet krymper tilsvarende.

(3) Prosessparametre
Når det gjelder prosessparametere, påvirker komprimeringstettheten grafittanoden betydelig. Under kaldpressingen av elektrodeplaten utvikles det betydelige trykkspenninger i grafittanodebelegglaget; dette stresset er vanskelig å avlaste helt under påfølgende trinn, for eksempel høy-temperaturbaking. Under ladnings-utladningssyklus forårsaker de kombinerte effektene av litium-ion-interkalering/de-interkalering og elektrolytt-indusert svelling av bindemidlet at spenningen i belegget frigjøres, noe som fører til økt ekspansjon. Videre bestemmer komprimeringstettheten hulromsvolumet i anodebelegget. Et stort tomromsvolum kan effektivt romme utvidelsen av elektrodeplaten.

Omvendt, hvis tomrommet er lite, er det ikke nok plass til å absorbere ekspansjonen; følgelig tvinges ekspansjonen utover, og manifesterer seg som en økning i det totale volumet av anodeplaten.

(4) Andre faktorer
Andre faktorer som påvirker anodeekspansjon inkluderer bindemiddeladhesjonsstyrke (spesifikt grenseflateadhesjonen mellom bindemiddelet, grafittpartikler, ledende karbon og strømkollektoren), ladnings-utladningshastigheter, svellingsoppførselen til bindemidlet i elektrolytten, formen og pakningstettheten til grafittpartiklene, og resultatet av bindingsvolumøkning under nedbryting av bindingen.

Acey New Energy har spesialisert seg på forskning og produksjon av høy-utstyr for litium-ion-batterier. Vi kan tilby en-løsning for laboratorie-skalabatteri produksjonslinjefor sylindrisk batteri, myntcelle, posecelle

Gassutvikling i batteriet er en annen viktig årsak til hevelse.

Batterier opplever varierende grad av gassgenerering og hevelse under sykling ved romtemperatur eller høye temperaturer, samt under høy-temperaturlagring.

Under den første lade-utladingssyklusen dannes en Solid Electrolyte Interphase (SEI)-film på elektrodeoverflaten. Dannelsen av SEI-laget (Solid Electrolyte Interphase) på anoden skyldes primært den reduktive dekomponeringen av EC (Ethylene Carbonate); dannelsen av alkyllitium og Li2CO3 er ledsaget av produksjon av betydelige mengder CO og C2H4. Løsemidler som DMC (dimetylkarbonat) og EMC (etylmetylkarbonat) bidrar også til filmdannelse, og gir RLiCO3 og ROLi sammen med gasser som CH4, C2H6, C3H8 og CO. I PC (propylenkarbonat)-baserte elektrolytter, er gassreduksjonen i hovedsak relativt høyere til PCH-produksjonen på grunn av relativt høyere gassproduksjon fra PCH. For LiFePO4-poseceller er gasshevelsen mest alvorlig etter fullføringen av den første 0,1C ladesyklusen.

Det er åpenbart at SEI-dannelse uunngåelig er ledsaget av generering av betydelige mengder gass. Tilstedeværelsen av H2O-urenheter destabiliserer P-F-bindingene i LiPF6, noe som fører til dannelse av HF; dette destabiliserer batterisystemet og genererer gass. For mye H2O forbruker Li+ ioner, og produserer LiOH, LiO2 og H2, noe som også resulterer i gassutvikling. Gassgenerering skjer også under lagring og langvarig lade{10}}utladingssyklus. i forseglede litium-ionbatterier forårsaker betydelig gassopphopning hevelse, noe som svekker batteriets ytelse og forkorter levetiden. De viktigste årsakene til gassutvikling under lagring er som følger:

(1) H2O tilstede i batterisystemet fører til HF-dannelse, som skader SEI-laget. Oksygen (O2) i systemet kan oksidere elektrolytten, noe som resulterer i generering av store mengder CO2;
(2) Hvis SEI-laget dannet under den første aktiveringen (dannelsen) er ustabilt, kan det brytes ned under lagring; den påfølgende reparasjonen av SEI-laget frigjør gasser som hovedsakelig består av hydrokarboner. Under lang-ladingssyklus-utladning, kan endringer i den krystallinske strukturen til katodematerialet og u-jevn potensialfordeling over elektrodeoverflaten forårsake lokaliserte høye potensialer. Dette reduserer stabiliteten til elektrolytten ved elektrodegrensesnittet; den kontinuerlige fortykningen av overflatefilmen øker grenseflatemotstanden, og øker reaksjonspotensialet ytterligere. Dette utløser elektrolyttnedbrytning og gassutvikling, mens selve katodematerialet også kan frigjøre gass.

Batterier viser varierende grader av hevelse avhengig av deres kjemiske systemer. I batterier som bruker grafittanoder, er de primære årsakene til gassutvikling og svelling -som tidligere nevnt-SEI-lagsdannelse, for høyt fuktighetsinnhold i cellen, uregelmessigheter i dannelsesprosessen og dårlig forsegling. I motsetning til dette, innenfor litiumtitanat (LTO) anodesystemet, tilskriver industrien generelt gassgenerering i Li4Ti5O12-batterier til materialets iboende tendens til å absorbere fuktighet, selv om det ikke er noen definitive bevis for å bekrefte denne hypotesen.

1. Dårlig tetting:Forekomsten av hovne celler forårsaket av forseglingsdefekter har redusert betydelig. Defekter kan oppstå på alle tetningssider, med topptetting og avgassingstetninger som de vanligste problemområdene; toppforseglingsproblemer involverer vanligvis flikområdet, mens avgassingsproblemer ofte involverer delaminering. Dårlig forsegling lar atmosfærisk fuktighet komme inn i cellen, noe som utløser elektrolyttnedbrytning og gassutvikling.

2. Skader på posens overflate:Under produksjonslinjeflyten kan posen få utilsiktet eller menneskelig-skade (som nålehull), slik at fuktighet trenger inn i cellens indre.

3. Hjørneskader:På grunn av den spesifikke deformasjonen av aluminiumslaget ved de brettede hjørnene, kan bevegelse av gassposen vri hjørnet, skade aluminiumet (større celler med større gassposer er mer utsatt for dette) og kompromittere fuktsperren. Påføring av kreppetape eller varmt-smeltelim i hjørnene kan bidra til å redusere denne risikoen. Videre er håndtering av celler ved gassposen etter toppforsegling forbudt; spesiell forsiktighet må utvises under drift for å forhindre at cellene svai mens de er på aldrende stativer.

4. For høyt indre fuktighetsinnhold:Hvis fuktighetsnivået overskrider grensene, brytes elektrolytten ned, noe som fører til gassutvikling etter dannelse eller avgassing. Primære årsaker til for høy indre fuktighet inkluderer: høyt fuktighetsinnhold i elektrolytten, høyt fuktighetsinnhold i den nakne cellen etter baking og overdreven fuktighet i det tørre rommet. Hvis det er mistanke om overdreven fuktighet som årsak til hevelse, kan det foretas en prosesssporbarhetskontroll.

5. Anomalier i formasjonsprosessen:Feil dannelsesprosedyrer kan føre til cellehevelse.

6. Ustabilt SEI-lag:Liten hevelse kan oppstå under lade-utladingssyklusene for kapasitetstesting. 7. Overlading/Over-utladning: På grunn av feil på prosess, utstyr eller beskyttelseskretskort (PCB), gjennomgår battericellen overlading eller overdreven utlading, noe som resulterer i alvorlig hevelse (gassutvikling).

8. Kortslutning:Driftsfeil som forårsaker kontakt mellom de levende celletappene resulterer i en kortslutning; cellen svulmer, spenningen faller raskt, og tappene blir forkullet svarte.

9. Intern kortslutning:En kortslutning mellom anoden og katoden inne i cellen forårsaker rask utladning og varmeutvikling, ledsaget av kraftig hevelse. Årsaker inkluderer designfeil; separator krymping, krølling eller skade; feiljustering av bi-celler; grader som punkterer separatoren; overdreven armaturtrykk; eller over-komprimering av varme-forseglingsmaskinen. For eksempel har utilstrekkelig bredde kombinert med overdreven komprimering av cellelegemet av varme-forseglingsmaskinen tidligere forårsaket anode-katodekortslutning og svelling.

10. Korrosjon:Korrosjon av cellen forbruker aluminiumslaget, ødelegger dets fuktbarrierefunksjon og fører til hevelse.

11. Unormal vakuumavgassing:System- eller utstyrsproblemer resulterer i uriktige vakuumnivåer eller ufullstendig avgassing. For eksempel, hvis varmestrålingssonen under vakuumforsegling er for stor, kan det hende at avgassingsgjennomboringsverktøyet ikke klarer å punktere posen effektivt, noe som resulterer i ufullstendig gassekstraksjon.

Å undertrykke unormal gassproduksjon krever å ta tak i både materialdesign og produksjonsprosesser.

Først,material- og elektrolyttsystemer må optimaliseres for å sikre dannelsen av en tett, stabil Solid Electrolyte Interphase (SEI) film, forbedre katodematerialets stabilitet og hindre unormal gassutvikling.

Når det gjelder elektrolyttbehandling, brukes ofte små mengder filmdannende-tilsetningsstoffer for å gjøre SEI-filmen mer jevn og tett. Dette reduserer gassutvikling forårsaket av SEI-filmløsning og regenerering under batteribruk, og reduserer dermed hevelse; slike metoder er dokumentert i forskning og anvendt i praksis.

Forskning indikerer at SEI-filmkomponentene dannet av EC (etylenkarbonat) og VC (vinylenkarbonat) består av lineære litiumalkylkarbonater. Ved høye temperaturer er litiumalkylkarbonatene festet til det litiumholdige karbonet (LiC) ustabile og brytes ned for å generere gasser (som CO2), noe som fører til batterihevelse. SEI-filmen dannet av PS består av litiumalkylsulfonat; selv om filmen inneholder defekter, har den en viss to-struktur og forblir relativt stabil på LiC-overflaten selv ved høye temperaturer. Når PS og VC brukes i kombinasjon, danner PS en defekt to-struktur på anodeoverflaten ved lavere spenninger; når spenningen øker, danner VC et lineært-strukturert litiumalkylkarbonat som fyller defektene i den to-dimensjonale strukturen, noe som resulterer i en stabil, nettverksstrukturert-SEI-film på LiC. Denne typen SEI-filmstruktur forbedrer stabiliteten betydelig og undertrykker effektivt gassutvikling forårsaket av filmnedbrytning.

Videre,interaksjoner mellom litiumkoboltoksid-katodematerialet og elektrolytten fører til nedbrytningsprodukter som katalyserer nedbrytningen av elektrolyttløsningsmidler. Følgelig forbedrer påføring av et overflatebelegg på katodematerialet ikke bare den strukturelle stabiliteten, men minimerer også kontakten mellom katoden og elektrolytten, og reduserer derved gassutvikling drevet av katodens katalytiske dekomponeringsaktivitet. Derfor representerer dannelsen av et stabilt, intakt belegg på overflaten av katodematerialpartikler en hovedretning for dagens utvikling.

Acey New Energyspesialiserer seg på å tilby one-løsninger for semi-automatiske/hel-automatiske samlebånd av litiumbatteripakker brukt i ESS, UAV, E-Bike, E-Scooter, Power Tools, Two/Three Wheelers, etc. Hvis du er ny innen litium- og batteriproduksjon, eller vil bygge din egen litium- og batterilinje litiumionbatteripakke samlebånd, vi kan gi deg profesjonell teknisk støtte og veiledning, ta gjerne kontakt med oss!

Ta kontakt nå