Zašto stanice vrećice bubre?

Mnogo je razloga zašto litij-ionske baterije torbičastog-tipa bubre. Na temelju eksperimentalnog iskustva u istraživanju i razvoju, uzroci bubrenja mogu se kategorizirati u tri vrste: prvo, povećanje debljine uzrokovano širenjem listova elektroda baterije tijekom ciklusa; drugo, bubrenje uzrokovano stvaranjem plina koji je rezultat oksidativne razgradnje elektrolita; i treće, bubrenje uzrokovano greškama u proizvodnji, kao što je ulazak vlage zbog lošeg brtvljenja ili oštećenja na kutovima ćelija.

Dominantni čimbenici koji pokreću promjene u debljini baterije razlikuju se ovisno o kemiji baterije. Na primjer, u baterijama koje koriste anode od litij titanata (LTO), stvaranje plina primarni je uzrok bubrenja; nasuprot tome, za baterije s grafitnim anodama, i širenje ploče elektrode i stvaranje plina doprinose bubrenju.

Rasprava o čimbenicima i mehanizmima koji utječu na širenje grafitne anode

Povećanje debljine ćelija tijekom punjenja litij-ionskih baterija prvenstveno se pripisuje širenju anode; brzina širenja katode je samo 2–4%. Anode se obično sastoje od grafita, veziva i vodljivog ugljika, pri čemu sam grafitni materijal pokazuje brzinu širenja od približno 10%. Ključni čimbenici koji utječu na brzinu ekspanzije grafitnih anoda uključuju stvaranje SEI (Solid Electrolyte Interphase) filma, stanje napunjenosti (SOC), procesne parametre i druge varijable.

(1) Formiranje SEI filma
Tijekom početnog ciklusa punjenja-pražnjenja litij-ionske baterije dolazi do reakcije redukcije između elektrolita i čestica grafita na sučelju kruto-tekuće, stvarajući pasivacijski sloj (SEI film) preko materijala elektrode. Formiranje SEI filma dovodi do značajnog povećanja debljine anode, pridonoseći ukupnom povećanju debljine ćelije od približno 4%. Tijekom dugotrajnog -cikliranja, fizička struktura i specifična površina grafita utječu na dinamički proces koji uključuje otapanje postojećeg SEI-a i stvaranje novog SEI-ja; na primjer, ljuskasti grafit pokazuje veću brzinu širenja od sferičnog grafita.

(2) Stanje naplate (SOC)
Tijekom cikličkog procesa, ekspanzija volumena grafitne anode pokazuje jaku periodičku funkcionalnu povezanost sa SOC ćelije. Točnije, volumen se postupno širi kako se ioni litija interkaliraju u grafit (povećavajući SOC ćelije); obrnuto, kada se litijevi ioni de-interkaliraju iz grafitne anode, SOC ćelije se smanjuje, a volumen grafitne anode smanjuje se u skladu s tim.

(3) Parametri procesa
Što se tiče parametara procesa, gustoća zbijanja značajno utječe na grafitnu anodu. Tijekom hladnog prešanja ploče elektrode, značajno tlačno naprezanje se razvija unutar sloja prevlake grafitne anode; ovaj stres teško je u potpunosti osloboditi tijekom sljedećih koraka kao što je pečenje na visokoj-temperaturi. Tijekom ciklusa punjenja-pražnjenja, kombinirani učinci litij{4}}interkalacije/de-interkalacije i elektrolitom-inducirano bubrenje veziva uzrokuju oslobađanje stresa unutar premaza, što dovodi do povećanog širenja. Nadalje, gustoća zbijanja određuje volumen praznina unutar anodnog premaza. Veliki volumen šupljina može se učinkovito prilagoditi širenju ploče elektrode.

Suprotno tome, ako je volumen šupljina mali, nema dovoljno prostora za apsorbiranje širenja; posljedično, ekspanzija je prisiljena prema van, manifestirajući se kao povećanje ukupnog volumena anodne ploče.

(4) Ostali čimbenici
Ostali čimbenici koji utječu na širenje anode uključuju čvrstoću prianjanja veziva (točnije međupovršinsko prianjanje između veziva, čestica grafita, vodljivog ugljika i kolektora struje), brzine pražnjenja-naboja, ponašanje veziva pri bubrenju u elektrolitu, oblik i gustoću pakiranja čestica grafita i povećanja volumena elektrode kao rezultat degradacije veziva tijekom ciklusa.

Acey New Energy specijaliziran je za istraživanje i proizvodnju vrhunske-opreme za litij-ionske baterije. Možemo pružiti-rješenje na jednom mjestu za laboratorijske-vagelinija za proizvodnju baterijaza cilindričnu bateriju, dugmastu bateriju, vrećicu

Stvaranje plina unutar baterije još je jedan glavni uzrok oticanja.

Baterije doživljavaju različite stupnjeve stvaranja plinova i bubrenja tijekom ciklusa na sobnoj ili visokim temperaturama, kao i tijekom skladištenja na visokim-temperaturama.

Tijekom početnog ciklusa punjenja-pražnjenja, na površini elektrode stvara se film međufaze čvrstog elektrolita (SEI). Stvaranje SEI (Solid Electrolyte Interphase) sloja na anodi primarno je posljedica reduktivne razgradnje EC (etilen karbonata); generiranje alkil litija i Li2CO3 popraćeno je stvaranjem značajnih količina CO i C2H4. Otapala kao što su DMC (dimetil karbonat) i EMC (etil metil karbonat) također doprinose stvaranju filma, dajući RLiCO3 i ROLi uz plinove kao što su CH4, C2H6, C3H8 i CO. U elektrolitima na bazi PC (propilen karbonata)-, stvaranje plina je relativno veće, prvenstveno zbog proizvodnje plina C3H8 iz PC redukcije. Za LiFePO4 vrećice, bubrenje plina je najjače nakon završetka početnog ciklusa punjenja od 0,1 C.

Očito je da je stvaranje SEI neizbježno praćeno stvaranjem značajnih količina plina. Prisutnost H2O nečistoća destabilizira P-F veze u LiPF6, što dovodi do stvaranja HF; to destabilizira baterijski sustav i stvara plin. Prekomjerna količina H2O troši Li+ ione, proizvodeći LiOH, LiO2 i H2, što također dovodi do razvoja plina. Do stvaranja plina dolazi i tijekom skladištenja i dugotrajnog punjenja-pražnjenja; u zatvorenim litij-ionskim baterijama, značajno nakupljanje plina uzrokuje oticanje, na taj način narušavajući učinkovitost baterije i skraćujući njezin radni vijek. Glavni razlozi stvaranja plina tijekom skladištenja su sljedeći:

(1) H2O prisutan u baterijskom sustavu dovodi do stvaranja HF, što oštećuje SEI sloj. Kisik (O2) u sustavu može oksidirati elektrolit, što rezultira stvaranjem velikih količina CO2;
(2) Ako je SEI sloj formiran tijekom početne aktivacije (formiranja) nestabilan, može degradirati tijekom skladištenja; naknadni popravak SEI sloja oslobađa plinove koji se prvenstveno sastoje od ugljikovodika. Tijekom dugotrajnog-cikličkog-pražnjenja, promjene u kristalnoj strukturi materijala katode i ne-jednolika raspodjela potencijala po površini elektrode mogu uzrokovati lokalizirane visoke potencijale. To smanjuje stabilnost elektrolita na sučelju elektroda; kontinuirano zadebljanje površinskog filma povećava međufazni otpor, dodatno podižući reakcijski potencijal. To izaziva razgradnju elektrolita i stvaranje plina, dok sam materijal katode također može otpuštati plin.

Baterije pokazuju različite stupnjeve bubrenja ovisno o njihovim kemijskim sustavima. U baterijama koje koriste grafitne anode, primarni uzroci stvaranja plina i bubrenja su-kao što je ranije spomenuto-stvaranje SEI sloja, prekomjerni sadržaj vlage unutar ćelije, anomalije u procesu formiranja i loše brtvljenje. Nasuprot tome, unutar anodnog sustava litij-titanata (LTO), industrija općenito pripisuje stvaranje plina u Li4Ti5O12 baterijama inherentnoj tendenciji materijala da upija vlagu, iako nema definitivnih dokaza koji potvrđuju ovu hipotezu.

1. Loše brtvljenje:Učestalost natečenih stanica uzrokovanih nedostacima brtvljenja značajno se smanjila. Defekti se mogu pojaviti na bilo kojoj strani brtvljenja, pri čemu su gornje brtvljenje i brtve za otplinjavanje najčešća problematična područja; problemi s gornjim brtvljenjem obično uključuju područje s jezičcima, dok problemi s otplinjavanjem često uključuju raslojavanje. Loše brtvljenje omogućuje atmosferskoj vlazi da uđe u ćeliju, izazivajući razgradnju elektrolita i stvaranje plina.

2. Oštećenje površine vrećice:Tijekom proizvodne linije, vrećica može pretrpjeti slučajna oštećenja ili oštećenja izazvana-ljudima (kao što su rupice), dopuštajući vlazi da prodre u unutrašnjost ćelije.

3. Oštećenje kuta:Zbog specifične deformacije aluminijskog sloja na presavijenim uglovima, pomicanje plinske vrećice može uvrnuti kut, oštetiti aluminij (veće ćelije s većim plinskim vrećicama sklonije su tome) i ugroziti barijeru za vlagu. Nanošenje krep trake ili ljepila koje se-otopi na uglove može pomoći u smanjenju ovog rizika. Nadalje, zabranjeno je rukovanje ćelijama plinskom vrećom nakon gornjeg zatvaranja; potrebno je posebno paziti tijekom rada kako bi se spriječilo njihanje ćelija dok su na policama za starenje.

4. Prekomjerni sadržaj unutarnje vlage:Ako razina vlage premaši granice, elektrolit se razgrađuje, što dovodi do stvaranja plina nakon stvaranja ili otplinjavanja. Primarni uzroci prekomjerne unutarnje vlage uključuju: visok sadržaj vlage u elektrolitu, visok sadržaj vlage u goloj ćeliji nakon pečenja i prekomjernu vlažnost u suhoj prostoriji. Ako se sumnja na prekomjernu vlagu kao uzrok bubrenja, može se provesti provjera sljedivosti procesa.

5. Anomalije procesa formiranja:Pogrešni postupci formiranja mogu dovesti do bubrenja stanica.

6. Nestabilni SEI sloj:Može doći do blagog bubrenja tijekom ciklusa punjenja-pražnjenja testiranja kapaciteta. 7. Prenapunjenost/prekomjerno{2}}pražnjenje: Zbog kvarova u procesu, opremi ili zaštitnoj ploči (PCB), baterijska ćelija prolazi kroz prekomjerno punjenje ili prekomjerno pražnjenje, što dovodi do ozbiljnog bubrenja (stvaranje plina).

8. Kratki spoj:Pogreške u radu koje uzrokuju kontakt između živih jezičaka ćelije rezultiraju kratkim spojem; stanica nabubri, napon brzo opada, a jezičci postaju pougljeno crni.

9. Unutarnji kratki spoj:Kratki spoj između anode i katode unutar ćelije uzrokuje brzo pražnjenje i stvaranje topline, praćeno jakim oticanjem. Uzroci uključuju nedostatke u dizajnu; skupljanje separatora, uvijanje ili oštećenje; neusklađenost bi-ćelija; neravnine koje probijaju separator; prekomjerni pritisak učvršćenja; ili prekomjerna-kompresija pomoću stroja za-toplinsko zavarivanje. Na primjer, nedovoljna širina u kombinaciji s pretjeranom kompresijom tijela ćelije pomoću stroja za toplinsko -brtvljenje prethodno je uzrokovala kratki spoj i oticanje anode-katode.

10. Korozija:Korozija ćelije troši aluminijski sloj, uništavajući njegovu funkciju barijere za vlagu i dovodeći do bubrenja.

11. Abnormalno vakuumsko otplinjavanje:Problemi sa sustavom ili opremom rezultiraju neodgovarajućim razinama vakuuma ili nepotpunim otplinjavanjem. Na primjer, ako je zona toplinskog zračenja tijekom vakuumskog zatvaranja prevelika, alat za bušenje za otplinjavanje možda neće uspjeti učinkovito probušiti vrećicu, što će rezultirati nepotpunim izvlačenjem plina.

Suzbijanje abnormalnog stvaranja plina zahtijeva rješavanje i dizajna materijala i proizvodnih procesa.

Prvi,sustavi materijala i elektrolita moraju biti optimizirani kako bi se osiguralo stvaranje gustog, stabilnog filma međufaze čvrstog elektrolita (SEI), poboljšala stabilnost materijala katode i spriječilo abnormalno stvaranje plina.

Što se tiče obrade elektrolitom, često se koriste male količine aditiva-za stvaranje filma kako bi SEI film bio ujednačeniji i gušći. Ovo smanjuje stvaranje plina uzrokovano odvajanjem SEI filma i regeneracijom tijekom korištenja baterije, čime se ublažava oticanje; takve su metode dokumentirane u istraživanju i primijenjene u praksi.

Istraživanja pokazuju da se komponente SEI filma koje čine EC (etilen karbonat) i VC (vinilen karbonat) sastoje od linearnih litijevih alkil karbonata. Na visokim temperaturama, litij alkil karbonati vezani za litirani ugljik (LiC) su nestabilni i razlažu se stvarajući plinove (kao što je CO2), što dovodi do bubrenja baterije. SEI film koji stvara PS sastoji se od litij alkil sulfonata; iako film sadrži nedostatke, on posjeduje određenu dvo-dimenzionalnu strukturu i ostaje relativno stabilan na površini LiC čak i pri visokim temperaturama. Kada se PS i VC koriste u kombinaciji, PS stvara neispravnu dvo-dimenzionalnu strukturu na površini anode pri nižim naponima; kako napon raste, VC formira linearno-strukturirani litij alkil karbonat koji popunjava nedostatke u dvo-dimenzionalnoj strukturi, što rezultira stabilnim, mrežno-strukturiranim SEI filmom na LiC. Ova vrsta strukture SEI filma značajno povećava stabilnost i učinkovito suzbija stvaranje plina uzrokovano raspadanjem filma.

Nadalje,interakcije između katodnog materijala litij kobalt oksida i elektrolita dovode do proizvoda razgradnje koji kataliziraju razgradnju otapala elektrolita. Posljedično, nanošenje površinskog premaza na materijal katode ne samo da poboljšava strukturnu stabilnost, već i smanjuje kontakt između katode i elektrolita, čime se smanjuje stvaranje plina uzrokovano katalitičkom aktivnošću razgradnje katode. Stoga, stvaranje stabilnog, netaknutog sloja prevlake na površini čestica katodnog materijala predstavlja glavni smjer trenutnog razvoja.

Acey Nova energijaspecijalizirao se za pružanje-rješenja na jednom mjestu za polu-automatske/potpuno{2}}automatske linije za sklapanje paketa litijskih baterija koje se koriste u ESS, UAV, E-biciklima, E-skuterima, električnim alatima, vozilima na dva/tri kotača, itd. Ako ste novi u industriji litij-ionskih baterija i želite izgraditi vlastitu litij-ionsku bateriju proizvodna linija ili litij ionlinija za sklapanje paketa baterija, možemo vam pružiti profesionalnu tehničku podršku i smjernice, slobodno nas kontaktirajte!

Kontaktirajte odmah