Varför sväller påsceller?

Det finns många anledningar till att litiumjonbatterier av-påsetyp- sväller. Baserat på experimentell FoU-erfarenhet kan orsakerna till svullnad kategoriseras i tre typer: för det första en ökning av tjockleken orsakad av expansionen av batterielektrodskivor under cykling; för det andra, svullnad orsakad av gasgenerering som ett resultat av den oxidativa nedbrytningen av elektrolyten; och för det tredje, svullnad orsakad av tillverkningsdefekter, såsom fuktinträngning på grund av dålig tätning eller skada i cellhörnen.

De dominerande faktorerna som driver förändringar i batteritjocklek varierar mellan olika batterikemier. Till exempel, i batterier som använder litiumtitanat (LTO)-anoder, är gasgenerering den primära orsaken till svullnad; däremot för batterier med grafitanoder bidrar både elektrodskivans expansion och gasgenerering till svällning.

Diskussion om faktorer och mekanismer som påverkar grafitanodexpansion

Ökningen av celltjocklek under laddningen av litium-jonbatterier hänförs främst till anodens expansion; katodens expansionshastighet är endast 2–4 %. Anoder är vanligtvis sammansatta av grafit, ett bindemedel och ledande kol, varvid själva grafitmaterialet uppvisar en expansionshastighet på cirka 10 %. Nyckelfaktorer som påverkar expansionshastigheten för grafitanoder inkluderar SEI-filmbildning (Solid Electrolyte Interphase), laddningstillståndet (SOC), processparametrar och andra variabler.

(1) SEI Film Formation
Under den initiala laddnings-urladdningscykeln för ett litium-jonbatteri sker en reduktionsreaktion mellan elektrolyten och grafitpartiklarna vid den fasta -vätskegränsytan, vilket bildar ett passiveringsskikt (SEI-filmen) över elektrodmaterialet. Bildandet av SEI-filmen leder till en signifikant ökning av anodtjockleken, vilket bidrar till en total ökning av celltjockleken på cirka 4 %. Under loppet av lång-cykling påverkar grafitens fysiska struktur och specifika yta en dynamisk process som involverar upplösningen av den befintliga SEI och bildandet av nya SEI; till exempel uppvisar flinggrafit en högre expansionshastighet än sfärisk grafit.

(2) State of Charge (SOC)
Under cyklingsprocessen uppvisar volymexpansionen av grafitanoden ett starkt periodiskt funktionellt samband med cellens SOC. Specifikt expanderar volymen gradvis när litiumjoner interkaleras i grafiten (ökar cellens SOC); omvänt, när litiumjoner de-interkaleras från grafitanoden, minskar cellens SOC, och grafitanodvolymen krymper i enlighet därmed.

(3) Processparametrar
När det gäller processparametrar påverkar packningsdensiteten grafitanoden avsevärt. Under kallpressningen av elektrodskivan utvecklas avsevärda tryckspänningar inuti grafitanodbeläggningsskiktet; denna stress är svår att avlasta helt under efterföljande steg som t.ex. hög-temperaturbakning. Under laddnings-urladdningscykler orsakar de kombinerade effekterna av litium-joninterkalering/de-interkalering och elektrolyt-inducerad svällning av bindemedlet att spänningen i beläggningen släpps, vilket leder till ökad expansion. Vidare bestämmer packningsdensiteten hålvolymen i anodbeläggningen. En stor tomvolym kan effektivt ta emot expansionen av elektrodskivan.

Omvänt, om tomrumsvolymen är liten, finns det inte tillräckligt med utrymme för att absorbera expansionen; följaktligen tvingas expansionen utåt, vilket visar sig som en ökning av den totala volymen av anodskivan.

(4) Andra faktorer
Andra faktorer som påverkar anodexpansion inkluderar bindemedelsvidhäftningshållfasthet (särskilt gränsytvidhäftningen mellan bindemedlet, grafitpartiklar, ledande kol och strömavtagaren), laddnings-urladdningshastigheter, svällningsbeteendet hos bindemedlet i elektrolyten, formen och packningsdensiteten hos grafitpartiklarnas ökningar och elektrodvolymnedbrytning som resultat av grafitpartiklarnas nedbrytning.

Acey New Energy är specialiserat på forskning och tillverkning av hög-utrustning för litium-jonbatterier. Vi kan tillhandahålla en-lösning för laboratorieskala-batteriproduktionslinjeför cylindriskt batteri, myntcell, påscell

Gasgenerering i batteriet är en annan viktig orsak till svullnad.

Batterier upplever olika grader av gasgenerering och svullnad under cykling vid rumstemperaturer eller höga temperaturer, såväl som under hög-temperaturlagring.

Under den initiala laddnings-urladdningscykeln bildas en Solid Electrolyte Interphase (SEI)-film på elektrodytan. Bildandet av SEI-skiktet (Solid Electrolyte Interphase) på anoden är primärt ett resultat av den reduktiva nedbrytningen av EC (etylenkarbonat); genereringen av alkyllitium och Li2CO3 åtföljs av produktionen av betydande mängder CO och C2H4. Lösningsmedel som DMC (dimetylkarbonat) och EMC (etylmetylkarbonat) bidrar också till filmbildning och ger RLiCO3 och ROLi tillsammans med gaser som CH4, C2H6, C3H8 och CO. I PC (propylenkarbonat)-baserade elektrolyter är gasproduktionen i första hand relativt högre till PCH, beroende på att produktionen av C3 är relativt högre. För LiFePO4-påsceller är gassvullnaden allvarligast efter att den initiala laddningscykeln på 0,1 C har slutförts.

Det är uppenbart att SEI-bildning oundvikligen åtföljs av generering av betydande mängder gas. Närvaron av H2O-föroreningar destabiliserar P-F-bindningarna i LiPF6, vilket leder till bildandet av HF; detta destabiliserar batterisystemet och genererar gas. För mycket H2O förbrukar Li+-joner och producerar LiOH, LiO2 och H2, vilket också resulterar i gasutveckling. Gasgenerering sker också under lagring och långvarig laddning{10}}urladdningscykler; i slutna litium{11}}jonbatterier orsakar betydande gasansamling svullnad, vilket försämrar batteriets prestanda och förkortar dess livslängd. De primära orsakerna till gasgenerering under lagring är följande:

(1) H2O som finns i batterisystemet leder till HF-bildning, vilket skadar SEI-skiktet. Syre (O2) i systemet kan oxidera elektrolyten, vilket resulterar i generering av stora mängder CO2;
(2) Om SEI-skiktet som bildas under initial aktivering (bildning) är instabilt kan det brytas ned under lagring; den efterföljande reparationen av SEI-skiktet frigör gaser som huvudsakligen består av kolväten. Under långvarig-laddnings-urladdningscykel kan förändringar i katodmaterialets kristallina struktur och o-jämn potentialfördelning över elektrodytan orsaka lokaliserade höga potentialer. Detta minskar stabiliteten hos elektrolyten vid elektrodgränsytan; den kontinuerliga förtjockningen av ytfilmen ökar gränsytresistansen, vilket ytterligare höjer reaktionspotentialen. Detta utlöser elektrolytnedbrytning och gasbildning, medan katodmaterialet i sig också kan frigöra gas.

Batterier uppvisar olika grader av svullnad beroende på deras kemiska system. I batterier som använder grafitanoder är de primära orsakerna till gasgenerering och svällning -som tidigare nämnts-SEI-skiktbildning, för hög fukthalt i cellen, anomalier i bildningsprocessen och dålig tätning. Däremot, inom litiumtitanat (LTO) anodsystemet, tillskriver industrin generellt gasgenerering i Li4Ti5O12-batterier till materialets inneboende tendens att absorbera fukt, även om det inte finns några definitiva bevis för att bekräfta denna hypotes.

1. Dålig tätning:Förekomsten av svullna celler orsakade av tätningsdefekter har minskat avsevärt. Defekter kan uppstå på vilken tätningssida som helst, med topptätning och avgasningstätningar som de vanligaste problemområdena; toppförseglingsproblem involverar vanligtvis flikområdet, medan avgasningsproblem ofta involverar delaminering. Dålig tätning tillåter atmosfärisk fukt att komma in i cellen, vilket utlöser elektrolytnedbrytning och gasbildning.

2. Skada på påsens yta:Under produktionslinjeflödet kan påsen drabbas av oavsiktlig eller mänsklig-inducerad skada (som nålhål), vilket gör att fukt tränger in i cellens inre.

3. Hörnskador:På grund av den specifika deformationen av aluminiumskiktet vid de vikta hörnen kan gaspåsens rörelse vrida hörnet, skada aluminiumet (större celler med större gaspåsar är mer benägna att göra detta) och äventyra fuktbarriären. Att applicera kräpptejp eller smältlim i hörnen kan hjälpa till att minska denna risk. Dessutom är hantering av celler vid gaspåsen efter toppförsegling förbjuden; Särskild försiktighet måste iakttas under drift för att förhindra att cellerna svajar under åldrande ställningar.

4. För hög inre fukthalt:Om fuktnivåerna överskrider gränserna, bryts elektrolyten ned, vilket leder till gasbildning efter bildning eller avgasning. Primära orsaker till överdriven inre fukt inkluderar: hög fukthalt i elektrolyten, hög fukthalt i den kala cellen efter gräddning och överdriven luftfuktighet i det torra rummet. Om överdriven fukt misstänks vara orsaken till svullnad kan en processspårbarhetskontroll utföras.

5. Anomalier i bildningsprocessen:Felaktiga bildningsprocedurer kan leda till cellsvullnad.

6. Instabilt SEI-lager:Lätt svullnad kan uppstå under laddnings-urladdningscyklerna för kapacitetstestning. 7. Överladdning/Över-urladdning: På grund av process-, utrustnings- eller skyddskretskortsfel (PCB) utsätts battericellen för överladdning eller överdriven urladdning, vilket resulterar i kraftig svullnad (gasgenerering).

8. Kortslutning:Driftsfel som orsakar kontakt mellan de levande cellflikarna resulterar i en kortslutning; cellen sväller, spänningen sjunker snabbt och flikarna blir förkolnade svarta.

9. Intern kortslutning:En kortslutning mellan anoden och katoden inuti cellen orsakar snabb urladdning och värmealstring, åtföljd av kraftig svullnad. Orsaker inkluderar designfel; separator krympning, krullning eller skada; feljustering av bi-celler; grader som punkterar separatorn; för högt fixturtryck; eller över-komprimering av värmeförseglingsmaskinen-. Till exempel har otillräcklig bredd i kombination med överdriven komprimering av cellkroppen av värme-förseglingsmaskinen tidigare orsakat anod-katodkortslutning och svällning.

10. Korrosion:Korrosion av cellen förbrukar aluminiumskiktet, förstör dess fuktbarriärfunktion och leder till svullnad.

11. Onormal vakuumavgasning:Problem med system eller utrustning leder till felaktiga vakuumnivåer eller ofullständig avgasning. Till exempel, om värmestrålningszonen under vakuumförsegling är för stor, kan avgasningshåltagningsverktyget misslyckas med att effektivt punktera påsen, vilket resulterar i ofullständig gasutvinning.

För att undertrycka onormal gasgenerering måste man ta itu med både materialdesign och tillverkningsprocesser.

Första,material- och elektrolytsystem måste optimeras för att säkerställa bildandet av en tät, stabil Solid Electrolyte Interphase (SEI) film, förbättra katodmaterialets stabilitet och förhindra onormal gasgenerering.

När det gäller elektrolytbehandling används ofta små mängder filmbildande-tillsatser för att göra SEI-filmen mer enhetlig och tät. Detta minskar gasgenerering orsakad av SEI-filmlossning och regenerering under batterianvändning, och dämpar därigenom svullnad; sådana metoder har dokumenterats i forskning och tillämpats i praktiken.

Forskning visar att SEI-filmkomponenterna som bildas av EC (etylenkarbonat) och VC (vinylenkarbonat) består av linjära litiumalkylkarbonater. Vid höga temperaturer är litiumalkylkarbonaterna fästa vid det litiumhaltiga kolet (LiC) instabila och sönderdelas för att generera gaser (som CO2), vilket leder till att batteriet sväller. SEI-filmen som bildas av PS består av litiumalkylsulfonat; även om filmen innehåller defekter, har den en viss två-struktur och förblir relativt stabil på LiC-ytan även vid höga temperaturer. När PS och VC används i kombination, bildar PS en defekt två-dimensionell struktur på anodytan vid lägre spänningar; när spänningen stiger bildar VC ett linjärt-strukturerat litiumalkylkarbonat som fyller defekterna i den två-dimensionella strukturen, vilket resulterar i en stabil, nätverksstrukturerad-SEI-film på LiC. Denna typ av SEI-filmstruktur förbättrar avsevärt stabiliteten och undertrycker effektivt gasgenerering orsakad av filmnedbrytning.

Dessutom,interaktioner mellan katodmaterialet av litiumkoboltoxid och elektrolyten leder till nedbrytningsprodukter som katalyserar nedbrytningen av elektrolytlösningsmedel. Följaktligen förbättrar applicering av en ytbeläggning på katodmaterialet inte bara den strukturella stabiliteten utan minimerar också kontakten mellan katoden och elektrolyten, varigenom gasgenerering som drivs av katodens katalytiska sönderdelningsaktivitet reduceras. Därför representerar bildningen av ett stabilt, intakt beläggningsskikt på ytan av katodmaterialpartiklar en huvudriktning för nuvarande utveckling.

Acey New Energyspecialiserar sig på att tillhandahålla one-stop-lösningar för semi-automatiska/helt-automatiska monteringslinjer av litiumbatteripaket som används i ESS, UAV, E-Bike, E-Scooter, Power Tools, Two/Three Wheelers, etc. Om du är ny inom litium- och batteriproduktion, eller vill bygga din egen litium- och batterilinje litiumjonmonteringslinje för batteripaket, vi kan ge dig professionell teknisk support och vägledning, kontakta oss gärna!

Kontakta nu