Zakaj celice vrečke nabreknejo?

Obstaja veliko razlogov, zakaj vrečkaste litij-ionske baterije nabreknejo. Na podlagi eksperimentalnih izkušenj z raziskavami in razvojem lahko vzroke za otekanje razvrstimo v tri vrste: prvič, povečanje debeline, ki ga povzroči širjenje plošč elektrod baterije med cikliranjem; drugič, otekanje, ki ga povzroči nastajanje plina zaradi oksidativne razgradnje elektrolita; in tretjič, otekanje, ki ga povzročajo proizvodne napake, kot je vdor vlage zaradi slabega tesnjenja ali poškodbe vogalov celic.

Prevladujoči dejavniki, ki povzročajo spremembe v debelini baterije, se razlikujejo glede na različne kemije baterije. Na primer, pri baterijah, ki uporabljajo anode iz litijevega titanata (LTO), je nastajanje plina glavni vzrok za otekanje; v nasprotju s tem pri baterijah z grafitnimi anodami k nabrekanju prispevata tako raztezanje pločevine elektrode kot nastajanje plina.

Razprava o dejavnikih in mehanizmih, ki vplivajo na ekspanzijo grafitne anode

Povečanje debeline celic med polnjenjem litij-ionskih baterij se pripisuje predvsem razširitvi anode; stopnja raztezanja katode je samo 2–4 %. Anode so običajno sestavljene iz grafita, veziva in prevodnega ogljika, sam grafitni material pa ima stopnjo ekspanzije približno 10 %. Ključni dejavniki, ki vplivajo na hitrost ekspanzije grafitnih anod, vključujejo tvorbo filma SEI (Solid Electrolyte Interphase), stanje napolnjenosti (SOC), procesne parametre in druge spremenljivke.

(1) Oblikovanje filma SEI
Med začetnim ciklom polnjenja-praznjenja litij-ionske baterije pride do redukcijske reakcije med elektrolitom in delci grafita na vmesniku trdno-tekoče, pri čemer se preko materiala elektrode tvori pasivna plast (film SEI). Tvorba filma SEI povzroči znatno povečanje debeline anode, kar prispeva k splošnemu povečanju debeline celice za približno 4 %. Med dolgoročnim -kroženjem fizična struktura in specifična površina grafita vplivata na dinamičen proces, ki vključuje raztapljanje obstoječega SEI in nastanek novega SEI; na primer, kosmičasti grafit kaže višjo stopnjo ekspanzije kot sferični grafit.

(2) Stanje napolnjenosti (SOC)
Med cikličnim postopkom ekspanzija volumna grafitne anode kaže močno periodično funkcionalno povezavo s SOC celice. Natančneje, prostornina se postopoma širi, ko se litijevi ioni interkalirajo v grafit (povečujejo SOC celice); nasprotno, ko se litijevi ioni de-interkalirajo iz grafitne anode, se SOC celice zmanjša, prostornina grafitne anode pa se ustrezno skrči.

(3) Parametri procesa
Kar zadeva procesne parametre, gostota stiskanja pomembno vpliva na grafitno anodo. Med hladnim stiskanjem pločevine elektrod se znotraj sloja prevleke grafitne anode razvije znatna tlačna napetost; ta stres je težko popolnoma razbremeniti med naslednjimi koraki, kot je pečenje pri visoki-temperaturi. Med kroženjem polnjenja-praznjenja kombinirani učinki interkalacije/de-de-interkalacije litij-ionov in nabrekanja veziva, ki ga povzroča-elektrolit, povzročijo sprostitev napetosti v prevleki, kar povzroči povečano raztezanje. Poleg tega gostota zbijanja določa prostornino praznin v anodni prevleki. Velika prostornina praznine lahko učinkovito prilagodi razširitev plošče elektrode.

Nasprotno, če je prostornina praznine majhna, ni dovolj prostora za absorpcijo širitve; posledično je ekspanzija siljena navzven, kar se kaže kot povečanje celotne prostornine anodne plošče.

(4) Drugi dejavniki
Drugi dejavniki, ki vplivajo na raztezanje anode, vključujejo adhezijsko trdnost veziva (natančneje medfazno adhezijo med vezivom, delci grafita, prevodnim ogljikom in tokovnim zbiralnikom), stopnje praznjenja-naboja, nabrekanje veziva v elektrolitu, obliko in gostoto pakiranja delcev grafita ter povečanje prostornine elektrode, ki je posledica degradacije veziva med kroženjem.

Podjetje Acey New Energy je specializirano za raziskovanje in proizvodnjo vrhunske-opreme za litij-ionske baterije. Zagotovimo lahko-rešitev na enem mestu za laboratorijsko-tehtnicolinija za proizvodnjo baterijza cilindrično baterijo, gumbasto celico, vrečko

Nastajanje plina v bateriji je še en pomemben vzrok za otekanje.

Baterije doživljajo različne stopnje nastajanja plinov in nabrekanja med kroženjem pri sobnih ali visokih temperaturah, pa tudi med shranjevanjem pri visoki{0}}temperaturi.

Med začetnim ciklom praznjenja-polnjenja se na površini elektrode oblikuje film medfaze trdnega elektrolita (SEI). Tvorba sloja SEI (Solid Electrolyte Interphase) na anodi je predvsem posledica reduktivnega razpada EC (etilen karbonata); nastajanje alkil litija in Li2CO3 spremlja proizvodnja znatnih količin CO in C2H4. Topila, kot sta DMC (dimetil karbonat) in EMC (etil metil karbonat), prav tako prispevajo k tvorbi filma, pri čemer nastanejo RLiCO3 in ROLi poleg plinov, kot so CH4, C2H6, C3H8 in CO. V elektrolitih na osnovi PC (propilen karbonata)-je nastajanje plina razmeroma večje, predvsem zaradi proizvodnje plina C3H8 pri redukciji PC. Pri celicah z vrečko LiFePO4 je nabrekanje plina najhujše po zaključku začetnega cikla polnjenja 0,1 C.

Očitno je, da nastanek SEI neizogibno spremlja nastajanje znatnih količin plina. Prisotnost nečistoč H2O destabilizira vezi P-F v LiPF6, kar povzroči nastanek HF; to destabilizira baterijski sistem in ustvarja plin. Prekomerna količina H2O porablja ione Li+, pri čemer nastajajo LiOH, LiO2 in H2, kar povzroči tudi nastajanje plina. Do nastajanja plinov pride tudi med shranjevanjem in dolgotrajnim cikličnim-praznjenjem; v zaprtih litij-ionskih baterijah znatno kopičenje plina povzroči nabrekanje, kar poslabša delovanje baterije in skrajša njeno življenjsko dobo. Glavni razlogi za nastajanje plina med skladiščenjem so naslednji:

(1) H2O, ki je prisoten v baterijskem sistemu, povzroči nastanek HF, ki poškoduje plast SEI. Kisik (O2) v sistemu lahko oksidira elektrolit, kar povzroči nastanek velikih količin CO2;
(2) Če je plast SEI, ki je nastala med prvotno aktivacijo (formiranjem), nestabilna, se lahko med shranjevanjem razgradi; poznejše popravilo plasti SEI sprošča pline, sestavljene predvsem iz ogljikovodikov. Med dolgotrajnim-cikličnim-praznjenjem lahko spremembe v kristalni strukturi materiala katode in ne-enakomerna porazdelitev potenciala po površini elektrode povzročijo lokalne visoke potenciale. To zmanjša stabilnost elektrolita na vmesniku elektrode; stalno zgoščevanje površinskega filma poveča medfazni upor, kar dodatno poveča reakcijski potencial. To sproži razgradnjo elektrolita in nastajanje plina, medtem ko lahko sam katodni material tudi sprošča plin.

Baterije kažejo različne stopnje nabrekanja, odvisno od njihovih kemičnih sistemov. Pri baterijah, ki uporabljajo grafitne anode, so glavni vzroki za nastajanje plina in nabrekanje-kot že omenjeno-tvorba plasti SEI, prekomerna vsebnost vlage v celici, anomalije v procesu tvorbe in slabo tesnjenje. Nasprotno pa industrija znotraj anodnega sistema litijevega titanata (LTO) na splošno pripisuje nastajanje plina v baterijah Li4Ti5O12 inherentni težnji materiala, da absorbira vlago, čeprav ni dokončnih dokazov za potrditev te hipoteze.

1. Slabo tesnjenje:Pogostnost oteklih celic, ki jih povzročajo napake tesnjenja, se je znatno zmanjšala. Napake se lahko pojavijo na kateri koli tesnilni strani, pri čemer so najpogostejša problematična področja zgornja tesnila in tesnila za odplinjevanje; Težave z zgornjim tesnjenjem običajno vključujejo območje jezička, medtem ko težave z odplinjevanjem pogosto vključujejo delaminacijo. Slabo tesnjenje omogoča vstop atmosferske vlage v celico, kar sproži razgradnjo elektrolita in nastajanje plina.

2. Poškodba površine vrečke:Med pretokom proizvodne linije lahko vrečka utrpi nenamerne poškodbe ali poškodbe,-ki jih povzroči človek (kot so luknjice), kar omogoči vlagi, da prodre v notranjost celice.

3. Poškodba vogalov:Zaradi specifične deformacije aluminijaste plasti na prepognjenih vogalih lahko premikanje plinske vrečke zvije vogal, poškoduje aluminij (večje celice z večjimi plinskimi vrečkami so bolj nagnjene k temu) in ogrozi pregrado za vlago. Nanos krep traku ali talilnega-lepila na vogalih lahko pomaga zmanjšati to tveganje. Poleg tega je prepovedano rokovanje s celicami s plinsko vrečo po zgornjem tesnjenju; med delovanjem je treba biti še posebej previden, da preprečimo nihanje celic na stojalih za staranje.

4. Prekomerna vsebnost notranje vlage:Če raven vlage preseže meje, se elektrolit razgradi, kar povzroči nastanek plina po nastanku ali razplinjevanju. Primarni vzroki za prekomerno notranjo vlago vključujejo: visoko vsebnost vlage v elektrolitu, visoko vsebnost vlage v goli celici po pečenju in prekomerno vlago v suhem prostoru. Če se sumi, da je vzrok za nabrekanje prekomerna vlaga, se lahko izvede preverjanje sledljivosti postopka.

5. Anomalije procesa nastajanja:Nepravilni postopki oblikovanja lahko povzročijo otekanje celic.

6. Nestabilna plast SEI:Med cikli polnjenja-praznjenja pri preskušanju zmogljivosti lahko pride do rahlega otekanja. 7. Prenapolnjenost/prekomerna{2}}praznjenost: zaradi napak v procesu, opremi ali zaščitnem vezju (PCB) se baterijska celica prekomerno napolni ali čezmerno izprazni, kar povzroči močno otekanje (nastajanje plina).

8. Kratek stik:Napake pri delovanju, ki povzročijo stik med živimi celicami, povzročijo kratek stik; celica nabrekne, napetost hitro pade in jezički postanejo zogleneli črni.

9. Notranji kratek stik:Kratek stik med anodo in katodo znotraj celice povzroči hitro praznjenje in nastajanje toplote, ki ju spremlja močno otekanje. Vzroki vključujejo napake pri oblikovanju; krčenje, zvijanje ali poškodbe separatorja; neporavnanost bi-celic; robovi, ki prebijajo separator; prekomerni tlak vpenjala; ali prekomerno-stiskanje s-strojem za toplotno varjenje. Na primer, nezadostna širina v kombinaciji s čezmernim stiskanjem telesa celice s toplotnim -strojem za tesnjenje je prej povzročila kratek stik in nabrekanje anode-katode.

10. Korozija:Korozija celice porabi aluminijasto plast, uniči njeno funkcijo preprečevanja vlage in povzroči nabrekanje.

11. Nenormalno vakuumsko razplinjevanje:Težave s sistemom ali opremo povzročajo neustrezne ravni vakuuma ali nepopolno odplinjevanje. Na primer, če je območje toplotnega sevanja med vakuumskim zapiranjem preveliko, orodje za prebadanje za razplinjevanje morda ne bo učinkovito preluknjalo vrečke, kar bo povzročilo nepopolno ekstrakcijo plina.

Zatiranje nenormalnega nastajanja plinov zahteva obravnavo tako materialne zasnove kot proizvodnih procesov.

Prvič,sistemi materialov in elektrolitov morajo biti optimizirani, da zagotovijo tvorbo gostega, stabilnega filma medfaze trdnega elektrolita (SEI), povečajo stabilnost materiala katode in zavirajo nenormalno nastajanje plina.

Kar zadeva obdelavo elektrolitov, se pogosto uporabljajo majhne količine aditivov,-ki tvorijo film, da postane film SEI bolj enakomeren in gost. To zmanjša nastajanje plina, ki ga povzročata odvajanje in regeneracija filma SEI med uporabo baterije, s čimer se ublaži otekanje; takšne metode so bile dokumentirane v raziskavah in uporabljene v praksi.

Raziskave kažejo, da so komponente filma SEI, ki jih tvorita EC (etilen karbonat) in VC (vinilen karbonat), sestavljene iz linearnih litijevih alkil karbonatov. Pri visokih temperaturah so litijevi alkil karbonati, pritrjeni na litirani ogljik (LiC), nestabilni in se razgradijo, da nastanejo plini (kot je CO2), kar povzroči nabrekanje baterije. Film SEI, ki ga tvori PS, je sestavljen iz litijevega alkil sulfonata; čeprav film vsebuje napake, ima določeno dvo-dimenzionalno strukturo in ostaja razmeroma stabilen na površini LiC tudi pri visokih temperaturah. Ko se PS in VC uporabljata v kombinaciji, PS tvori okvarjeno dvo-dimenzionalno strukturo na površini anode pri nižjih napetostih; ko napetost narašča, VC tvori linearno-strukturiran litijev alkil karbonat, ki zapolnjuje napake v dvo-dimenzionalni strukturi, kar povzroči stabilen mrežno-strukturiran film SEI na LiC. Ta vrsta strukture filma SEI bistveno poveča stabilnost in učinkovito zavira nastajanje plina, ki ga povzroča razgradnja filma.

Poleg tegainterakcije med materialom katode iz litij-kobaltovega oksida in elektrolitom vodijo do produktov razgradnje, ki katalizirajo razgradnjo topil elektrolita. Posledično nanašanje površinske prevleke na material katode ne le izboljša strukturno stabilnost, ampak tudi zmanjša stik med katodo in elektrolitom, s čimer se zmanjša nastajanje plina, ki ga poganja aktivnost katalitične razgradnje katode. Zato predstavlja tvorba stabilne, nepoškodovane prevlečne plasti na površini delcev katodnega materiala glavno smer trenutnega razvoja.

Nova energija Aceyje specializirano za zagotavljanje rešitev na enem mestu za pola{1}}/popolnoma{2}}avtomatske montažne linije litijevih baterijskih sklopov, ki se uporabljajo v ESS, UAV, E-kolesih, E-skuterjih, električnih orodjih, dvo-/trikolesnikih itd. Če ste novinec v industriji litij-ionskih baterij in želite izdelati lastno litij-ionsko baterijo proizvodna linija ali litij-iontekoči trak baterijskega paketa, lahko vam zagotovimo strokovno tehnično podporo in navodila, prosimo, kontaktirajte nas!

Kontaktirajte zdaj