Per què s'inflen les cèl·lules de la bossa?

Hi ha moltes raons per les quals les bateries d'ions de liti-de bossa-s'inflen. A partir de l'experiència experimental en R+D, les causes de la inflor es poden classificar en tres tipus: primer, un augment del gruix causat per l'expansió de les làmines d'elèctrodes de la bateria durant el cicle; segon, la inflamació causada per la generació de gasos resultant de la descomposició oxidativa de l'electròlit; i tercer, inflor causada per defectes de fabricació, com ara l'entrada d'humitat a causa d'un segellat deficient o danys a les cantonades de la cel·la.

Els factors dominants que provoquen els canvis en el gruix de la bateria varien segons les diferents químiques de la bateria. Per exemple, a les bateries que utilitzen ànodes de titanat de liti (LTO), la generació de gas és la causa principal de la inflamació; en canvi, per a les bateries amb ànodes de grafit, tant l'expansió de la làmina d'elèctrode com la generació de gas contribueixen a la inflació.

Discussió sobre els factors i mecanismes que afecten l'expansió de l'ànode de grafit

L'augment del gruix de la cel·la durant la càrrega de bateries d'ions de liti-s'atribueix principalment a l'expansió de l'ànode; la taxa d'expansió del càtode és només del 2-4%. Els ànodes es componen normalment de grafit, un aglutinant i carboni conductor, amb el mateix material de grafit que presenta una taxa d'expansió d'aproximadament el 10%. Els factors clau que influeixen en la velocitat d'expansió dels ànodes de grafit inclouen la formació de pel·lícules SEI (Solid Electrolyte Interphase), l'estat de càrrega (SOC), els paràmetres del procés i altres variables.

(1) Formació de pel·lícula SEI
Durant el cicle inicial de càrrega-descàrrega d'una bateria d'ions de liti-, es produeix una reacció de reducció entre l'electròlit i les partícules de grafit a la interfície sòlida-líquida, formant una capa de passivació (la pel·lícula SEI) sobre el material de l'elèctrode. La formació de la pel·lícula SEI condueix a un augment significatiu del gruix de l'ànode, contribuint a un augment global del gruix de la cel·la d'aproximadament un 4%. En el transcurs del cicle -a llarg termini, l'estructura física i la superfície específica del grafit influeixen en un procés dinàmic que implica la dissolució del SEI existent i la formació de nous SEI; per exemple, el grafit en escates presenta una taxa d'expansió més alta que el grafit esfèric.

(2) Estat de càrrega (SOC)
Durant el procés de cicle, l'expansió de volum de l'ànode de grafit presenta una forta relació funcional periòdica amb el SOC de la cèl·lula. Concretament, el volum s'expandeix gradualment a mesura que els ions de liti s'intercalen en el grafit (augmentant el SOC de la cèl·lula); per contra, quan els ions de liti s'intercalen-de l'ànode de grafit, el SOC de la cèl·lula disminueix i el volum de l'ànode de grafit es redueix en conseqüència.

(3) Paràmetres del procés
Pel que fa als paràmetres del procés, la densitat de compactació afecta significativament l'ànode de grafit. Durant la pressió en fred de la làmina d'elèctrode, es desenvolupa una tensió de compressió substancial dins de la capa de recobriment de l'ànode de grafit; aquesta tensió és difícil d'alleujar completament durant els passos posteriors, com ara la cocció a alta-temperatura. Durant el cicle de càrrega-descàrrega, els efectes combinats de la intercalació/des-intercalació/des-intercalació d'ions de liti i l'inflament de l'aglutinant induït per electròlits- fan que s'alliberi l'estrès dins del recobriment, donant lloc a una major expansió. A més, la densitat de compactació determina el volum buit dins del recobriment de l'ànode. Un gran volum buit pot acomodar eficaçment l'expansió de la làmina d'elèctrode.

Per contra, si el volum buit és petit, no hi ha espai suficient per absorbir l'expansió; en conseqüència, l'expansió es força cap a l'exterior, manifestant-se com un augment del volum total de la làmina d'ànode.

(4) Altres factors
Altres factors que influeixen en l'expansió de l'ànode inclouen la força d'adhesió de l'aglutinant (específicament l'adhesió interfacial entre l'aglutinant, les partícules de grafit, el carboni conductor i el col·lector de corrent), les taxes de descàrrega -, el comportament d'inflació de l'aglutinant a l'electròlit, la forma i la densitat d'empaquetament de les partícules de grafit i la degradació del volum de l'elèctrode provocada per la degradació del volum de l'elèctrode.

Acey New Energy està especialitzada en la investigació i la fabricació d'equips-de gamma alta per a bateries d'ions de liti-. Podem oferir una-solució única per a-escala de laboratorilínia de producció de bateriesper a bateria cilíndrica, pila monedera, pila de bossa

La generació de gas dins de la bateria és una altra causa important d'inflor.

Les bateries experimenten diferents graus de generació de gas i d'inflació durant el cicle a temperatures ambient o altes, així com durant l'emmagatzematge a -alta temperatura.

Durant el cicle inicial de càrrega-descàrrega, es forma una pel·lícula d'interfase d'electròlits sòlids (SEI) a la superfície de l'elèctrode. La formació de la capa SEI (Solid Electrolyte Interphase) a l'ànode resulta principalment de la descomposició reductiva de l'EC (carbonat d'etilè); la generació d'alquil liti i Li2CO3 va acompanyada de la producció de quantitats importants de CO i C2H4. Els dissolvents com el DMC (carbonat de dimetil) i l'EMC (carbonat d'etil i metil) també contribueixen a la formació de pel·lícules, produint RLiCO3 i ROLi juntament amb gasos com CH4, C2H6, C3H8 i CO. Per a les cèl·lules de la bossa LiFePO4, la inflamació del gas és més greu després de la finalització del cicle de càrrega inicial de 0,1 C.

És evident que la formació de SEI va acompanyada inevitablement de la generació de quantitats substancials de gas. La presència d'impureses d'H2O desestabilitza els enllaços P-F en LiPF6, donant lloc a la formació d'HF; això desestabilitza el sistema de bateries i genera gas. L'excés d'H2O consumeix ions Li+, produint LiOH, LiO2 i H2, que també provoca l'evolució de gas. La generació de gas també es produeix durant l'emmagatzematge i els cicles prolongats de càrrega{10}}descàrrega; a les bateries d'ions de liti-segellades, l'acumulació important de gas provoca inflor, perjudicant el rendiment de la bateria i escurçant-ne la vida útil. Les principals raons per a la generació de gas durant l'emmagatzematge són les següents:

(1) L'H2O present al sistema de bateries condueix a la formació d'HF, que danya la capa SEI. L'oxigen (O2) del sistema pot oxidar l'electròlit, donant lloc a la generació de grans quantitats de CO2;
(2) Si la capa SEI formada durant l'activació (formació) inicial és inestable, pot degradar-se durant l'emmagatzematge; la reparació posterior de la capa SEI allibera gasos constituïts principalment per hidrocarburs. Durant el cicle de descàrrega de-càrrega-a llarg termini, els canvis en l'estructura cristal·lina del material del càtode i la distribució de potencial no-uniforme a través de la superfície de l'elèctrode poden provocar alts potencials localitzats. Això redueix l'estabilitat de l'electròlit a la interfície de l'elèctrode; l'engrossiment continu de la pel·lícula superficial augmenta la resistència interfacial, augmentant encara més el potencial de reacció. Això provoca la descomposició d'electròlits i la generació de gas, mentre que el material del càtode també pot alliberar gas.

Les bateries presenten diferents graus d'inflor segons els seus sistemes químics. A les bateries que utilitzen ànodes de grafit, les causes principals de la generació i la inflació de gas són-com s'ha esmentat anteriorment-la formació de la capa SEI, el contingut excessiu d'humitat a la cèl·lula, les anomalies en el procés de formació i el segellat deficient. En canvi, dins del sistema d'ànode de titanat de liti (LTO), la indústria generalment atribueix la generació de gas a les bateries Li4Ti5O12 a la tendència inherent del material a absorbir la humitat, tot i que no hi ha proves definitives que confirmin aquesta hipòtesi.

1. Mal segellat:La incidència de cèl·lules inflades causades per defectes de segellat ha disminuït significativament. Els defectes poden ocórrer a qualsevol costat del segellat, sent el segellat superior i els segells de desgasificació els problemes més comuns; Els problemes de segellat superiors solen implicar l'àrea de la pestanya, mentre que els problemes de desgasificació solen implicar la delaminació. El mal segellat permet que la humitat atmosfèrica entri a la cèl·lula, provocant la descomposició d'electròlits i la generació de gas.

2. Danys a la superfície de la bossa:Durant el flux de la línia de producció, la bossa pot patir danys accidentals o induïts{0}}per humans (com ara forats), cosa que permet que la humitat penetri a l'interior de la cèl·lula.

3. Danys a les cantonades:A causa de la deformació específica de la capa d'alumini a les cantonades plegades, el moviment de la bossa de gas pot torçar la cantonada, danyant l'alumini (les cèl·lules més grans amb bosses de gas més grans són més propenses a això) i comprometent la barrera d'humitat. L'aplicació de cinta crepé o adhesiu-calent a les cantonades pot ajudar a mitigar aquest risc. A més, està prohibit manipular les cèl·lules per la bossa de gas després del segellat superior; s'ha de tenir especial cura durant el funcionament per evitar que les cèl·lules es balancegin durant els bastidors d'envelliment.

4. Contingut d'humitat interna excessiu:Si els nivells d'humitat superen els límits, l'electròlit es degrada, donant lloc a la generació de gas després de la formació o desgasificació. Les causes principals de l'excés d'humitat interna inclouen: alt contingut d'humitat a l'electròlit, alt contingut d'humitat a la cel·la nua després de la cocció i humitat excessiva a l'habitació seca. Si se sospita que una humitat excessiva és la causa de la inflor, es pot dur a terme una comprovació de la traçabilitat del procés.

5. Anomalies del procés de formació:Els procediments de formació incorrectes poden provocar inflor cel·lular.

6. Capa SEI inestable:Es pot produir una lleugera inflació durant els cicles de càrrega{0}}descàrrega de les proves de capacitat. 7. Sobrecàrrega/sobre-descàrrega: a causa d'un mal funcionament del procés, de l'equip o de la placa de circuit de protecció (PCB), la cèl·lula de la bateria pateix una sobrecàrrega o una descàrrega excessiva, provocant una inflor greu (generació de gas).

8. Curtcircuit:Els errors operatius que provoquen el contacte entre les pestanyes de la cel·la en viu donen lloc a un curtcircuit; la cèl·lula s'infla, la tensió baixa ràpidament i les pestanyes es tornen carbonitzades.

9. Curtcircuit intern:Un curtcircuit entre l'ànode i el càtode dins de la cèl·lula provoca una descàrrega ràpida i una generació de calor, acompanyada d'una inflor severa. Les causes inclouen defectes de disseny; contracció, ondulació o dany del separador; desalineació de bi-cel·les; rebaves que punxen el separador; pressió excessiva del dispositiu; o sobre-compressió per la màquina-de segellat per calor. Per exemple, una amplada insuficient combinada amb una compressió excessiva del cos de la cèl·lula per part de la màquina de segellat de calor-ha provocat prèviament un curtcircuit i un inflor de l'ànode-càtode.

10. Corrosió:La corrosió de la cèl·lula consumeix la capa d'alumini, destruint la seva funció de barrera d'humitat i provocant inflor.

11. Desgasificació anormal al buit:Els problemes del sistema o de l'equip donen lloc a nivells de buit inadequats o a una desgasificació incompleta. Per exemple, si la zona de radiació tèrmica durant el segellat al buit és massa gran, l'eina de perforació de desgasificació pot no perforar la bossa amb eficàcia, donant lloc a una extracció incompleta del gas.

La supressió de la generació anormal de gas requereix abordar tant el disseny del material com els processos de fabricació.

Primer,Els sistemes de materials i electròlits s'han d'optimitzar per garantir la formació d'una pel·lícula d'interfase d'electròlits sòlids (SEI) densa i estable, millorar l'estabilitat del material del càtode i inhibir la generació anormal de gas.

Pel que fa al tractament d'electròlits, sovint s'utilitzen petites quantitats d'additius formadors de pel·lícula-per fer que la pel·lícula SEI sigui més uniforme i densa. Això redueix la generació de gas causada pel despreniment i la regeneració de la pel·lícula SEI durant l'ús de la bateria, mitigant així la inflamació; aquests mètodes s'han documentat en la investigació i s'han aplicat a la pràctica.

La investigació indica que els components de la pel·lícula SEI formats per EC (carbonat d'etilè) i VC (carbonat de vinilè) consisteixen en carbonats d'alquil de liti lineals. A altes temperatures, els carbonats d'alquil de liti units al carboni litiat (LiC) són inestables i es descomponen per generar gasos (com el CO2), donant lloc a la inflació de la bateria. La pel·lícula SEI formada per PS està formada per alquil sulfonat de liti; tot i que la pel·lícula conté defectes, posseeix una certa estructura bi-dimensional i es manté relativament estable a la superfície de LiC fins i tot a altes temperatures. Quan s'utilitzen PS i VC en combinació, PS forma una estructura bi-defectuosa a la superfície de l'ànode a voltatges més baixos; a mesura que augmenta la tensió, el VC forma un carbonat d'alquil de liti-estructurat lineal que omple els defectes de l'estructura bi-dimensional, donant lloc a una pel·lícula SEI estable i estructurada-en xarxa al LiC. Aquest tipus d'estructura de pel·lícula SEI millora significativament l'estabilitat i suprimeix eficaçment la generació de gas causada per la descomposició de la pel·lícula.

A més,Les interaccions entre el material càtode d'òxid de cobalt de liti i l'electròlit condueixen a productes de descomposició que catalitzen la descomposició dels dissolvents electròlits. En conseqüència, l'aplicació d'un recobriment superficial al material del càtode no només millora l'estabilitat estructural sinó que també minimitza el contacte entre el càtode i l'electròlit, reduint així la generació de gas impulsada per l'activitat de descomposició catalítica del càtode. Per tant, la formació d'una capa de recobriment estable i intacta a la superfície de les partícules de material càtode representa una direcció important per al desenvolupament actual.

Acey Nova Energias'especialitza en oferir solucions únics per a línies de muntatge semi{-automàtiques/totalment-automàtiques de paquets de bateries de liti utilitzades en ESS, UAV, E-bicicletes, E-scooters, eines elèctriques, dues o tres rodes, etc. ions de litilínia de muntatge del paquet de bateries, podem oferir-vos suport tècnic i orientació professionals, no dubteu a contactar amb nosaltres!

Contacta ara