Защо клетките на торбичките набъбват?

Има много причини литиево-йонните-тип-батерии да се подуват. Въз основа на експериментален опит в научноизследователска и развойна дейност, причините за подуване могат да бъдат категоризирани в три типа: първо, увеличаване на дебелината, причинено от разширяването на листовете на електродите на батерията по време на цикъл; второ, подуване, причинено от генериране на газ в резултат на окислителното разлагане на електролита; и трето, подуване, причинено от производствени дефекти, като проникване на влага поради лошо уплътняване или повреда в ъглите на клетката.

Доминиращите фактори, водещи до промени в дебелината на батерията, варират в зависимост от химията на батерията. Например, в батерии, използващи аноди от литиев титанат (LTO), генерирането на газ е основната причина за подуване; за разлика от това, за батерии с графитни аноди както разширяването на електродния лист, така и генерирането на газ допринасят за подуване.

Дискусия върху факторите и механизмите, влияещи върху разширяването на графитния анод

Увеличаването на дебелината на клетката по време на зареждане на литиево-йонни батерии се дължи основно на разширяването на анода; скоростта на разширение на катода е само 2–4%. Анодите обикновено се състоят от графит, свързващо вещество и проводящ въглерод, като самият графитен материал показва скорост на разширение от приблизително 10%. Ключовите фактори, влияещи върху скоростта на разширение на графитните аноди, включват образуването на филм SEI (Solid Electrolyte Interphase), състоянието на заряда (SOC), параметрите на процеса и други променливи.

(1) Образуване на SEI филм
По време на първоначалния цикъл на зареждане-разреждане на литиево-йонна батерия протича редукционна реакция между електролита и графитните частици на повърхността твърдо-течно, образувайки пасивиращ слой (SEI филм) върху електродния материал. Образуването на SEI филма води до значително увеличаване на дебелината на анода, което допринася за общото увеличение на дебелината на клетката от приблизително 4%. В хода на дългосрочен -цикличен цикъл, физическата структура и специфичната повърхностна площ на графита влияят на динамичен процес, включващ разпадането на съществуващия SEI и образуването на нов SEI; например, люспестият графит показва по-висока скорост на разширение от сферичния графит.

(2) Състояние на заряда (SOC)
По време на процеса на циклиране, разширяването на обема на графитния анод показва силна периодична функционална връзка със SOC на клетката. По-конкретно, обемът се разширява постепенно, тъй като литиевите йони се интеркалират в графита (увеличавайки SOC на клетката); обратно, когато литиевите йони се де-интеркалират от графитния анод, SOC на клетката намалява и обемът на графитния анод се свива съответно.

(3) Параметри на процеса
По отношение на параметрите на процеса, плътността на уплътняване значително влияе върху графитния анод. По време на студеното пресоване на електродния лист се развива значително напрежение на натиск в графитния аноден покривен слой; този стрес е трудно да се облекчи напълно по време на следващите стъпки, като например печене при висока-температура. По време на цикъла на зареждане-разряд, комбинираните ефекти на литиево-йонно интеркалиране/де-интеркалиране и предизвикано от електролит-набъбване на свързващото вещество причиняват освобождаване на напрежението в покритието, което води до повишено разширение. Освен това, плътността на уплътняване определя празния обем в анодното покритие. Големият празен обем може ефективно да поеме разширяването на електродния лист.

Обратно, ако празният обем е малък, няма достатъчно пространство за поемане на разширението; следователно, разширението се изтласква навън, което се проявява като увеличаване на общия обем на анодния лист.

(4) Други фактори
Други фактори, влияещи върху разширението на анода, включват якост на адхезия на свързващото вещество (по-специално адхезията на повърхността между свързващото вещество, графитните частици, проводимия въглерод и токоприемника), скоростите на-разряд на заряда, поведението на набъбване на свързващото вещество в електролита, формата и плътността на опаковане на графитните частици и увеличаването на обема на електрода в резултат на разграждането на свързващото вещество по време на цикъла.

Acey New Energy е специализирана в проучване и производство на високо{0}}оборудване за литиево-йонни батерии. Ние можем да предоставим-решение на едно място за лабораторни-мащабрилиния за производство на батерииза цилиндрична батерия, клетъчна клетка с монета, клетъчна клетка

Генерирането на газ в батерията е друга основна причина за подуване.

Батериите изпитват различна степен на генериране на газ и набъбване по време на цикъл при стайна или висока температура, както и по време на високо-температурно съхранение.

По време на първоначалния цикъл на зареждане-разреждане върху повърхността на електрода се образува филм от междинна фаза на твърд електролит (SEI). Образуването на слоя SEI (интерфаза на твърд електролит) върху анода е резултат основно от редуктивното разлагане на EC (етилен карбонат); генерирането на алкиллитий и Li2CO3 е придружено от производството на значителни количества CO и C2H4. Разтворители като DMC (диметил карбонат) и EMC (етил метил карбонат) също допринасят за образуването на филм, давайки RLiCO3 и ROLi заедно с газове като CH4, C2H6, C3H8 и CO. В електролитите на базата на PC (пропилен карбонат)- генерирането на газ е относително по-високо, главно поради производството на газ C3H8 от редукция на PC. За LiFePO4 торбички, подуването на газ е най-тежко след завършване на първоначалния цикъл на зареждане от 0,1C.

Очевидно е, че образуването на SEI неизбежно е придружено от генериране на значителни количества газ. Наличието на H2O примеси дестабилизира P-F връзките в LiPF6, което води до образуването на HF; това дестабилизира акумулаторната система и генерира газ. Излишният H2O консумира Li+ йони, произвеждайки LiOH, LiO2 и H2, което също води до отделяне на газ. Генерирането на газ възниква и по време на съхранение и продължително циклично зареждане-разреждане; в запечатаните литиево-йонни батерии значителното натрупване на газ причинява подуване, като по този начин влошава работата на батерията и съкращава експлоатационния й живот. Основните причини за генериране на газ по време на съхранение са следните:

(1) H2O, присъстваща в акумулаторната система, води до образуване на HF, което уврежда SEI слоя. Кислородът (O2) в системата може да окисли електролита, което води до генериране на големи количества CO2;
(2) Ако слоят SEI, образуван по време на първоначалното активиране (формиране), е нестабилен, той може да се разпадне по време на съхранение; последващият ремонт на слоя SEI освобождава газове, състоящи се предимно от въглеводороди. По време на дългосрочен-заряд-разряден цикъл, промените в кристалната структура на катодния материал и не-равномерното разпределение на потенциала по повърхността на електрода могат да причинят локализирани високи потенциали. Това намалява стабилността на електролита на повърхността на електрода; непрекъснатото удебеляване на повърхностния филм увеличава междуфазовото съпротивление, като допълнително повишава реакционния потенциал. Това задейства разлагането на електролита и генерирането на газ, докато самият материал на катода може също да отделя газ.

Батериите показват различна степен на подуване в зависимост от техните химически системи. При батерии, използващи графитни аноди, основните причини за генериране на газ и подуване са-както беше споменато по-рано-образуване на слой SEI, прекомерно съдържание на влага в клетката, аномалии в процеса на образуване и лошо уплътняване. За разлика от това, в рамките на анодната система от литиев титанат (LTO), индустрията обикновено приписва генерирането на газ в батериите Li4Ti5O12 на присъщата тенденция на материала да абсорбира влага, въпреки че няма категорични доказателства, които да потвърдят тази хипотеза.

1. Лошо уплътняване:Честотата на подутите клетки, причинени от дефекти на запечатването, е намаляла значително. Дефекти могат да възникнат от всяка страна на уплътнението, като най-честите проблемни зони са горното уплътнение и обезгазяващите уплътнения; Проблемите с горното запечатване обикновено включват зоната на раздела, докато проблемите с обезгазяването често включват разслояване. Лошото уплътнение позволява на атмосферната влага да навлезе в клетката, предизвиквайки разлагане на електролита и генериране на газ.

2. Повреда на повърхността на торбичката:По време на потока на производствената линия торбичката може да претърпи случайни или -предизвикани от хора повреди (като дупки), което позволява на влагата да проникне във вътрешността на клетката.

3. Повреда в ъгъла:Поради специфичната деформация на алуминиевия слой в сгънатите ъгли, движението на газовата торба може да усуче ъгъла, увреждайки алуминия (по-големите клетки с по-големи газови торби са по-склонни към това) и компрометирайки бариерата срещу влага. Поставянето на крепирана лента или топящо се-лепило в ъглите може да помогне за намаляване на този риск. Освен това, боравенето с клетки от газовата торба след горното запечатване е забранено; трябва да се обърне особено внимание по време на работа, за да се предотврати люлеенето на клетките, докато са на стелажи за стареене.

4. Прекомерно съдържание на вътрешна влага:Ако нивата на влага надхвърлят границите, електролитът се разгражда, което води до генериране на газ след образуване или дегазиране. Основните причини за прекомерна вътрешна влага включват: високо съдържание на влага в електролита, високо съдържание на влага в оголената клетка след изпичане и прекомерна влажност в сухото помещение. Ако се подозира прекомерна влага като причина за подуване, може да се извърши проверка за проследимост на процеса.

5. Аномалии в процеса на формиране:Неправилните процедури за образуване могат да доведат до подуване на клетките.

6. Нестабилен SEI слой:Може да възникне леко подуване по време на циклите на зареждане-разреждане при тестване на капацитета. 7. Презареждане/Пре-разреждане: Поради неизправности в процес, оборудване или защитна платка (PCB), клетката на батерията претърпява презареждане или прекомерно разреждане, което води до силно подуване (генериране на газ).

8. Късо съединение:Оперативни грешки, причиняващи контакт между живите клетъчни пластини, водят до късо съединение; клетката набъбва, напрежението пада бързо и зъбците стават черни овъглени.

9. Вътрешно късо съединение:Късо съединение между анода и катода вътре в клетката причинява бързо разреждане и генериране на топлина, придружено от силно подуване. Причините включват недостатъци в дизайна; свиване, извиване или повреда на разделителя; неправилно подравняване на би-клетки; неравности, пробиващи сепаратора; прекомерно налягане на приспособлението; или свръх-компресия от машината за топлинно-запечатване. Например, недостатъчната ширина, съчетана с прекомерно компресиране на тялото на клетката от машината за топлинно-запечатване, преди това е причинявала късо съединение и подуване на анода-катода.

10. Корозия:Корозията на клетката поглъща алуминиевия слой, разрушавайки неговата бариерна функция срещу влага и водейки до подуване.

11. Ненормално вакуумно дегазиране:Проблеми със системата или оборудването водят до неподходящи нива на вакуум или непълна дегазация. Например, ако зоната на топлинно излъчване по време на вакуумно запечатване е твърде голяма, обезгазяващият инструмент за пробиване може да не успее ефективно да пробие торбичката, което води до непълно извличане на газ.

Потискането на необичайното генериране на газ изисква разглеждане както на материалния дизайн, така и на производствените процеси.

първо,системите от материали и електролити трябва да бъдат оптимизирани, за да осигурят образуването на плътен, стабилен филм от междинната фаза на твърдия електролит (SEI), да подобрят стабилността на катодния материал и да попречат на необичайното генериране на газ.

Що се отнася до обработката с електролит, често се използват малки количества филм{0}}образуващи добавки, за да направят SEI филма по-равномерен и плътен. Това намалява генерирането на газ, причинено от отделянето на SEI филма и регенерацията по време на използване на батерията, като по този начин смекчава подуването; такива методи са документирани в изследвания и прилагани на практика.

Изследванията показват, че компонентите на SEI филма, образувани от EC (етилен карбонат) и VC (винилен карбонат), се състоят от линейни литиеви алкил карбонати. При високи температури литиевите алкил карбонати, прикрепени към литирания въглерод (LiC), са нестабилни и се разлагат, за да генерират газове (като CO2), което води до подуване на батерията. SEI филмът, образуван от PS, се състои от литиев алкил сулфонат; въпреки че филмът съдържа дефекти, той притежава определена дву-измерна структура и остава относително стабилен върху повърхността на LiC дори при високи температури. Когато PS и VC се използват в комбинация, PS образува дефектна дву-измерна структура върху анодната повърхност при по-ниски напрежения; когато напрежението се повишава, VC образува линеен-структуриран литиев алкил карбонат, който запълва дефектите в дву-измерната структура, което води до стабилен, мрежово-структуриран SEI филм върху LiC. Този тип SEI филмова структура значително подобрява стабилността и ефективно потиска генерирането на газ, причинено от разлагането на филма.

Освен това,взаимодействията между катодния материал от литиево-кобалтов оксид и електролита водят до продукти на разлагане, които катализират разграждането на електролитни разтворители. Следователно, нанасянето на повърхностно покритие върху катодния материал не само подобрява структурната стабилност, но също така минимизира контакта между катода и електролита, като по този начин намалява генерирането на газ, задвижван от активността на каталитично разлагане на катода. Следователно, образуването на стабилен, непокътнат покривен слой върху повърхността на частиците на катодния материал представлява основна посока за настоящото развитие.

Acey New Energyспециализира в предоставянето на-решения на едно гише за полу-автоматични/напълно-автоматични линии за сглобяване на пакети литиеви батерии, използвани в ESS, UAV, E-велосипеди, E-скутери, електроинструменти, дву/три колела и т.н. Ако сте нов в индустрията за литиево-йонни батерии и искате да създадете своя собствена литиево-йонна батерия производствена линия или литиево-йоннипоточна линия за комплект батерии, можем да ви предоставим професионална техническа поддръжка и насоки, моля не се колебайте да се свържете с нас!

Свържете се сега