2023-08-29
Ringkesan panyebab bulging ing baterei lithium-ion paket alus
Ana akeh alasan kanggo dadi gedhe saka baterei lithium-ion paket alus. Adhedhasar pengalaman riset lan pangembangan eksperimen, penulis mbagi penyebab bulging baterei lithium dadi telung kategori: pisanan, paningkatan ketebalan sing disebabake dening ekspansi elektroda baterei nalika muter; Kapindho yaiku pembengkakan sing disebabake dening oksidasi lan dekomposisi elektrolit kanggo ngasilake gas. Katelu yaiku bulging sing disebabake dening cacat proses kayata kelembapan lan pojok rusak amarga kemasan baterei sing longgar. Ing sistem baterei sing beda-beda, faktor dominan kanggo owah-owahan ing kekandelan baterei beda. Contone, ing sistem elektroda negatif lithium titanate, faktor utama kanggo bulging yaiku drum gas; Ing sistem elektroda negatif grafit, kekandelan saka piring elektroda lan produksi gas loro ningkataké dadi gedhe saka baterei.
1. Ganti ketebalan plat elektroda
Dhiskusi babagan Faktor lan Mekanisme sing Ngaruhi Ekspansi Elektroda Negatif Grafit
Tambah ing kekandelan sel sak proses ngisi daya baterei lithium-ion utamané lantaran kanggo expansion saka elektroda negatif. Tingkat ekspansi elektroda positif mung 2-4%, lan elektroda negatif biasane dumadi saka grafit, adesif, lan karbon konduktif. Tingkat expansion saka materi grafit dhewe tekan ~ 10%, lan faktor pengaruh utama saka owah-owahan ing tingkat expansion elektroda negatif grafit kalebu: tatanan film SEI, negara daya (SOC), paramèter proses, lan faktor pengaruh liyane.
(1) Sajrone proses ngisi daya lan ngeculake pisanan saka baterei lithium-ion sing dibentuk dening film SEI, elektrolit ngalami reaksi reduksi ing antarmuka partikel grafit padat-cair, mbentuk lapisan passivation (film SEI) sing nutupi permukaan elektroda. materi. Pembentukan film SEI sacara signifikan nambah kekandelan anoda, lan amarga pembentukan film SEI, kekandelan sel mundhak kira-kira 4%. Saka perspektif proses siklus jangka panjang, gumantung saka struktur fisik lan area lumahing spesifik saka grafit sing beda, proses siklus bakal nyebabake pembubaran SEI lan proses dinamis produksi SEI anyar, kayata grafit flake sing nduweni ekspansi sing luwih dhuwur. tingkat saka grafit bola.
(2) Sajrone proses siklus sel baterei negara sing diisi, ekspansi volume anoda grafit nuduhake hubungan fungsional periodik sing apik karo SOC sel baterei. Yaiku, nalika ion litium terus dilebokake ing grafit (kanthi nambah SOC sel baterei), volume kasebut saya mundhak. Nalika ion litium ucul saka anoda grafit, SOC sel baterei mboko sithik, lan volume anoda grafit sing cocog mboko sithik.
(3) Saka perspektif paramèter proses, kapadhetan kompaksi duweni pangaruh sing signifikan marang anoda grafit. Sajrone proses kadhemen mencet elektroda, kaku compressive gedhe kui ing lapisan film anoda grafit, kang angel kanggo kebak release ing baking suhu dhuwur sakteruse lan pangolahan elektroda. Nalika sel baterei ngalami ngisi daya lan discharging siklik, amarga efek gabungan saka macem-macem faktor kayata selipan lan detasemen ion lithium, elektrolit dadi gedhe ing adesif, kaku membran dirilis sak proses muter, lan tingkat expansion mundhak. Ing tangan liyane, Kapadhetan compaction nemtokake kapasitas pori lapisan film anoda. Kapasitas pori ing lapisan film gedhe, sing bisa nyerep volume ekspansi elektroda kanthi efektif. Kapasitas pori cilik, lan nalika ekspansi elektroda, ora ana papan sing cukup kanggo nyerep volume sing diasilake dening ekspansi. Ing wektu iki, expansion mung bisa nggedhekake menyang njaba lapisan film, manifested minangka expansion volume saka film anoda.
(4) Faktor liyane kayata kekuatan ikatan adesif (adhesive, partikel grafit, karbon konduktif, lan kekuatan ikatan antarmuka antarane kolektor lan cairan), tingkat discharge, kemampuan abuh saka adhesive lan elektrolit. , wangun lan Kapadhetan numpuk partikel grafit, lan Tambah ing volume elektroda disebabake Gagal saka adhesive sak proses muter kabeh duwe tingkat tartamtu saka impact ing expansion anoda.
Kanggo pitungan tingkat expansion, gunakake cara anime kanggo ngukur ukuran piring anoda ing arah X lan Y, gunakake mikrometer kanggo ngukur ketebalan ing arah Z, lan ukur kanthi kapisah sawise piring stamping lan inti listrik diisi daya.
Gambar 1 Diagram skematis pangukuran piring anoda
Pengaruh Kapadhetan Kompaksi lan Kualitas Lapisan ing Ekspansi Elektroda Negatif
Nggunakake Kapadhetan pemadatan lan kualitas lapisan minangka faktor, telung tingkat beda dijupuk kanggo desain eksperimen ortogonal faktor lengkap (minangka ditampilake ing Tabel 1), karo kahanan liyane padha kanggo saben klompok.
Minangka ditampilake ing Figures 2 (a) lan (b), sawise sel baterei wis kebak, tingkat expansion saka sheet anoda ing arah X / Y / Z mundhak karo nambah Kapadhetan compaction. Nalika Kapadhetan compaction mundhak saka 1.5g / cm3 kanggo 1.7g / cm3, tingkat expansion ing arah X / Y mundhak saka 0.7% kanggo 1.3%, lan tingkat expansion ing arah Z mundhak saka 13% kanggo 18%. Saka Figure 2 (a), bisa dideleng yen ing kapadhetan pemadatan sing beda, tingkat ekspansi ing arah X luwih gedhe tinimbang ing arah Y. Alesan utama kanggo fenomena iki disebabake dening proses mencet kadhemen saka piring polar. Sajrone proses mencet kadhemen, nalika piring polar liwat roller pencet, miturut hukum resistance minimal, nalika materi wis subjected kanggo pasukan external, partikel materi bakal mili ing arah resistance minimal.
Gambar 2 Tingkat ekspansi anoda ing arah sing beda-beda
Nalika piring anoda kadhemen dipencet, arah karo resistance paling ing arah MD (arah Y saka piring elektroda, minangka ditampilake ing Figure 3). Tekanan luwih gampang diluncurake ing arah MD, dene arah TD (arah X saka piring elektroda) nduweni resistensi sing luwih dhuwur, saengga angel ngeculake stres sajrone proses rolling. Tekanan ing arah TD luwih gedhe tinimbang ing arah MD. Mulane, sawise sheet elektroda wis kebak, tingkat expansion ing arah X luwih gedhe tinimbang ing arah Y. Ing tangan liyane, Kapadhetan compaction mundhak, lan kapasitas pori saka sheet elektroda sudo (minangka ditampilake ing Figure 4). Nalika ngisi daya, ora ana papan sing cukup ing lapisan film anoda kanggo nyerep volume ekspansi grafit, lan manifestasi eksternal yaiku lembaran elektroda ngembang ing arah X, Y, lan Z kanthi sakabehe. Saka Gambar 2 (c) lan (d), bisa dideleng kualitas lapisan mundhak saka 0,140g/1540,25mm2 dadi 0,190g/1540,25mm2, tingkat ekspansi arah X mundhak saka 0,84% dadi 1,15%, lan tingkat expansion ing arah Y mundhak saka 0,89% kanggo 1,05%. Tren tingkat ekspansi ing arah Z ngelawan karo arah X / Y, nuduhake tren mudhun, saka 16,02% dadi 13,77%. Ekspansi anoda grafit nuduhake pola fluktuasi ing arah X, Y, lan Z, lan owah-owahan kualitas lapisan utamane dibayangke ing owah-owahan sing signifikan ing ketebalan film. Pola variasi anoda ing ndhuwur konsisten karo asil literatur, yaiku, rasio kekandelan kolektor sing luwih cilik kanggo ketebalan film, luwih gedhe tekanan ing kolektor.
Gambar 3 Diagram skematis proses cold pressing anoda
Gambar 4 Owah-owahan ing Fraksi Void miturut Kapadhetan Compaction Beda
Efek saka kekandelan foil tembaga ing expansion elektroda negatif
Pilih rong faktor sing mengaruhi, kekandelan foil tembaga lan kualitas lapisan, kanthi tingkat ketebalan foil tembaga 6 lan 8, masing-masing μm. Massa lapisan anoda yaiku 0.140g / 1, 540.25mm2, lan 0.190g / 1, 540.25mm2, masing-masing. Kapadhetan pemadatan yaiku 1,6g/cm3, lan kondisi liyane padha kanggo saben klompok eksperimen. Asil eksperimen ditampilake ing Gambar 5. Saka Gambar 5 (a) lan (c), bisa dideleng yen ing rong kualitas lapisan sing beda, ing arah X / Y 8 μ Laju ekspansi m lembaran anoda foil tembaga kurang. saka 6m. Tambah ing kekandelan saka foil tembaga asil ing Tambah ing modulus elastis sawijining (pirsani Figure 6), kang nambah resistance kanggo deformasi lan nambah alangan ing expansion anoda, asil ing nyuda ing tingkat expansion. Miturut literatur, kanthi kualitas lapisan sing padha, minangka kekandelan saka foil tembaga mundhak, rasio kekandelan kolektor kanggo kekandelan film mundhak, kaku ing Penagih sudo, lan tingkat expansion saka elektroda sudo. Ing arah Z, tren owah-owahan tingkat ekspansi pancen ngelawan. Saka Gambar 5 (b), bisa dideleng yen kekandelan saka foil tembaga mundhak, tingkat ekspansi mundhak; Saka perbandingan Gambar 5 (b) lan (d), bisa dideleng yen kualitas lapisan mundhak saka 0.140g / 1 lan 540.25mm2 dadi 0.190g / 1540.25mm2, kekandelan foil tembaga mundhak lan tingkat ekspansi. suda. Nambah kekandelan saka foil tembaga, sanajan ono gunane kanggo ngurangi kaku dhewe (dhuwur kekuatan), bakal nambah kaku ing lapisan film, anjog kanggo Tambah ing Z-arah expansion rate, minangka ditampilake ing Figure 5 (b); Nalika kualitas lapisan mundhak, sanajan foil tembaga nglukis duweni efek promosi ing paningkatan stres lapisan film, uga nambah kapasitas naleni lapisan film. Ing wektu iki, gaya naleni dadi luwih ketok lan tingkat expansion Z-arah sudo.
Gambar 5 Owah-owahan ing Tingkat Ekspansi Film Anoda kanthi Kekandelan Foil Tembaga lan Kualitas Lapisan sing beda
Gambar 6 kurva tegangan-regangan saka foil tembaga kanthi kekandelan sing beda
Pengaruh jinis grafit ing ekspansi elektroda negatif
Lima jinis grafit digunakake kanggo eksperimen (pirsani Tabel 2), kanthi massa lapisan 0,165g/1540,25mm2, kapadhetan kompaksi 1,6g/cm3, lan kekandelan foil tembaga 8 μm. Kondisi liyane padha, lan asil eksperimen ditampilake ing Gambar 7. Saka Gambar 7 (a), bisa dideleng yen ana beda sing signifikan ing tingkat ekspansi grafit sing beda ing arah X / Y, kanthi minimal 0,27% lan maksimal 1,14%. Tingkat ekspansi ing arah Z yaiku 15,44% lan 17,47%. Sing ekspansi gedhe ing arah X / Y duwe ekspansi cilik ing arah Z, sing cocog karo asil sing dianalisis ing Bagean 2.2. Sel-sel sing nggunakake grafit A-1 nuduhake deformasi abot kanthi tingkat deformasi 20%, dene klompok sel liyane ora nuduhake deformasi, nuduhake yen ukuran tingkat ekspansi X / Y nduweni pengaruh sing signifikan marang deformasi sel.
Gambar 7 Tingkat ekspansi grafit sing beda
Kesimpulan
(1) Nambah Kapadhetan compaction nambah tingkat expansion saka sheet anoda ing X / Y lan Z arah sak proses Isi lengkap, lan tingkat expansion ing arah X luwih saka ing arah Y (arah X punika arah sumbu roller sajrone proses mencet kadhemen saka sheet anoda, lan arah Y minangka arah sabuk mesin).
(2) Kanthi nambah kualitas lapisan, tingkat expansion ing arah X / Y cenderung kanggo nambah, nalika tingkat expansion ing arah Z sudo; Nambah kualitas lapisan bakal nyebabake paningkatan tekanan tarik ing koleksi cairan.
(3) Ngapikake kekuwatan kolektor saiki bisa nyuda ekspansi anoda ing arah X / Y.
(4) Jinis grafit sing beda-beda nduweni beda sing signifikan ing tingkat ekspansi ing arah X / Y lan Z, kanthi ukuran ekspansi ing arah X / Y duweni pengaruh sing signifikan marang deformasi sel.
2. Bulging disebabake produksi gas baterei
Produksi gas internal baterei minangka alesan penting liyane kanggo bulging baterei, apa sajrone siklus suhu kamar, siklus suhu dhuwur, utawa panyimpenan suhu dhuwur, bakal ngasilake produksi gas sing beda-beda. Sajrone proses ngisi daya lan mbuwang baterei, film SEI (Solid Electrolyte Interface) bakal dibentuk ing permukaan elektroda. Pembentukan film SEI negatif utamane asale saka reduksi lan dekomposisi EC (Ethylene Carbonate). Bebarengan karo generasi litium alkil lan Li2CO3, akeh CO lan C2H4 diasilake. DMC (Dimethyl Carbonate) lan EMC (Ethyl Methyl Carbonate) ing pelarut uga mbentuk RLiCO3 lan ROLi sajrone proses pembentukan film, diiringi produksi gas kayata CH4, C2H6, lan C3H8, uga gas CO. Ing elektrolit adhedhasar PC (Propilena karbonat), produksi gas relatif dhuwur, utamane gas C3H8 sing diasilake dening reduksi PC. Baterei paket alus litium wesi fosfat ngalami inflasi paling abot sawise diisi daya ing 0,1C sajrone siklus pisanan. Kaya sing bisa dideleng saka ndhuwur, pambentukan SEI diiringi produksi gas sing akeh, sing minangka proses sing ora bisa dihindari. Anane H2O ing impurities bakal nyebabake ikatan P-F ing LiPF6 dadi ora stabil, ngasilake HF, sing bakal nyebabake ketidakstabilan sistem baterei iki lan ngasilake gas. Anane H2O sing berlebihan bakal ngonsumsi Li+ lan ngasilake LiOH, LiO2, lan H2, sing nyebabake produksi gas. Sajrone panyimpenan lan proses ngisi daya lan mbuwang jangka panjang, gas uga bisa diasilake. Kanggo baterei litium-ion sing disegel, anane gas sing akeh bisa nyebabake baterei nambah, saengga bisa mengaruhi kinerja lan nyepetake umur layanan. Alasan utama kanggo ngasilake gas sajrone panyimpenan baterei yaiku: (1) Anane H2O ing sistem baterei bisa nyebabake generasi HF, nyebabake karusakan ing SEI. O2 ing sistem bisa nimbulaké oksidasi saka elektrolit, anjog kanggo generasi saka jumlah gedhe saka CO2; (2) Yen film SEI kawangun sak tatanan pisanan ora stabil, iku bakal nimbulaké karusakan kanggo film SEI sak tataran panyimpenan, lan ndandani maneh film SEI bakal ngeculake gas utamané dumadi saka hidrokarbon. Sajrone siklus pangisi daya lan discharging jangka panjang baterei, struktur kristal saka materi positif diganti, potensial titik ora rata ing permukaan elektroda lan faktor liyane nyebabake sawetara potensial titik dadi dhuwur banget, stabilitas elektrolit ing elektroda. lumahing sudo, ing thickening pancet saka topeng rai ing lumahing elektroda ndadekake resistance antarmuka elektroda, luwih Ngapikake potensial reaksi, nyebabake bosok saka elektrolit ing lumahing elektroda kanggo gawé gas, lan materi positif uga bisa ngeculake gas.
Gambar 8 Komposisi gas baterei Li4Ti5O12/LiMn2O4 sawise 5 sasi muter ing 30, 45, lan 60 ℃
Sistem elektrolit sing umum digunakake kanggo baterei lithium-ion yaiku LiPF6 / EC: EMC, ing ngendi LiPF6 duwe keseimbangan ing ngisor iki ing elektrolit.
PF5 minangka asam kuat sing gampang nyebabake dekomposisi karbonat, lan jumlah PF5 mundhak kanthi suhu sing tambah. PF5 mbantu ngurai elektrolit, ngasilake gas CO2, CO, lan CxHy. Pitungan kasebut uga nuduhake yen dekomposisi EC ngasilake gas CO lan CO2. C2H4 lan C3H6 diasilake kanthi reaksi reduksi oksidasi C2H6 lan C3H8 kanthi Ti4+, dene Ti4+ dikurangi dadi Ti3+. Miturut riset sing relevan, generasi H2 asalé saka jumlah banyu ing elektrolit, nanging isi banyu ing elektrolit umume 20 × Kira-kira 10-6, kanggo produksi gas H2. Eksperimen Wu Kai ing Universitas Shanghai Jiao Tong milih grafit / NCM111 minangka baterei kanthi kontribusi sing sithik, lan nyimpulake manawa sumber H2 yaiku dekomposisi karbonat ing voltase dhuwur.
3. Proses abnormal sing ndadékaké produksi lan ekspansi gas
1. Packaging miskin wis Ngartekno suda proporsi sel baterei inflated disebabake packaging miskin. Alasan kanggo panyegelan ndhuwur sing kurang apik, sealing sisih lan degassing telung kemasan sisih wis dikenalake sadurunge. Packaging ala ing salah siji sisih bakal mimpin kanggo sel baterei, kang utamané dituduhake dening sealing ndhuwur lan degassing. Penyegelan ndhuwur utamane amarga panyegelan sing ora apik ing posisi tab, lan degassing utamane amarga lapisan (kalebu pamisahan PP saka Al amarga elektrolit lan gel). Kemasan sing ora apik nyebabake kelembapan ing udhara mlebu ing njero sel baterei, nyebabake elektrolit terurai lan ngasilake gas.
2. Lumahing kanthong rusak, lan sel baterei ora normal utawa rusak sacara artifisial sajrone proses narik, nyebabake karusakan saku (kayata pinholes) lan ngidini banyu mlebu ing njero sel baterei.
3. Karusakan pojok: Amarga deformasi khusus aluminium ing pojok sing dilipat, goyang kantong udara bisa ngrusak pojok lan nyebabake karusakan Al (sing luwih gedhe sel baterei, luwih gedhe kantong udara, luwih gampang dadi. rusak), ilang efek penghalang ing banyu. Lem kerut utawa lem leleh panas bisa ditambahake ing sudhut kanggo ngatasi masalah kasebut. Lan dilarang kanggo mindhah sel baterei karo tas online ing saben proses sawise sealing ndhuwur, lan manungsa waé liyane kudu mbayar kanggo cara operasi kanggo nyegah oscillation saka blumbang sel baterei ing Papan tuwa.
4. Isi banyu ing sel baterei ngluwihi standar. Sawise isi banyu ngluwihi standar, elektrolit bakal gagal lan ngasilake gas sawise pembentukan utawa degassing. Alasan utama kanggo isi banyu sing berlebihan ing baterei yaiku: isi banyu sing berlebihan ing elektrolit, isi banyu sing berlebihan ing sel kosong sawise Baking, lan kelembapan sing berlebihan ing kamar pangatusan. Yen dicurigai yen isi banyu sing berlebihan bisa nyebabake kembung, pemeriksaan retrospektif saka proses kasebut bisa ditindakake.
5. Proses pambentukan ora normal, lan proses pambentukan sing ora bener bisa nyebabake sel baterei ngobong.
6. Film SEI ora stabil, lan fungsi emisi sel baterei rada inflated sajrone proses ngisi daya lan discharging test kapasitas.
7. Overcharging utawa discharging: Amarga ora normal ing proses, mesin, utawa papan protèktif, sel baterei bisa overcharged utawa dibuwang banget, asil ing umpluk online abot ing sel baterei.
8. Short circuit: Amarga kesalahan operasional, loro tab saka sel baterei daya teka menyang kontak lan ngalami short circuit. Sèl baterei bakal ngalami bledosan gas lan voltase bakal mudhun kanthi cepet, nyebabake tab dadi ireng.
9. Internal short circuit: Ing internal short circuit antarane kutub positif lan negatif saka sel baterei nimbulaké discharge cepet lan dadi panas saka sel baterei, uga gas puffing abot. Ana akeh alasan kanggo sirkuit cendhak internal: masalah desain; Shrinkage, curling, utawa karusakan saka film isolasi; misalignment sel bi; Burrs piercing membran isolasi; Tekanan fixture sing berlebihan; Kakehan squeezing saka mesin ironing pinggiran, etc Contone, ing sasi, amarga jembaré ora cukup, mesin pinggiran ironing banget squeezed entitas sel baterei, asil ing short circuit lan bloating saka cathode lan anode.
10. Korosi: Sel baterei ngalami karat, lan lapisan aluminium dikonsumsi dening reaksi kasebut, ilang alangi kanggo banyu lan nyebabake ekspansi gas.
11. Pompa vakum sing ora normal, disebabake sistem utawa alasan mesin. Degassing ora pepek; Zona radiasi termal Vacuum Sealing gedhe banget, nyebabake bayonet nyedhot Degassing ora bisa nusuk tas Pocket kanthi efektif, nyebabake nyedhot sing ora resik.
Tindakan kanggo nyuda produksi gas sing ora normal
4. Suppressing produksi gas abnormal mbutuhake miwiti saka loro desain materi lan proses Manufaktur.
Kaping pisanan, perlu kanggo ngrancang lan ngoptimalake materi lan sistem elektrolit kanggo mesthekake pambentukan film SEI sing padhet lan stabil, nambah stabilitas materi elektroda positif, lan nyuda kedadeyan produksi gas sing ora normal.
Kanggo perawatan elektrolit, cara nambahake aditif pembentuk film cilik asring digunakake kanggo nggawe film SEI luwih seragam lan padhet, nyuda detasemen film SEI sajrone panggunaan lan produksi gas sajrone regenerasi, sing nyebabake baterei. bulging. Riset sing relevan wis dilapurake lan ditrapake ing praktik, kayata Cheng Su saka Harbin Institute of Technology, sing nglaporake manawa panggunaan aditif pembentuk film VC bisa nyuda bulging baterei. Nanging, riset biasane fokus ing aditif komponen tunggal, kanthi efektifitas winates. Cao Changhe lan liya-liyane saka Universitas Sains lan Teknologi China Timur nggunakake komposit VC lan PS minangka aditif pembentuk film elektrolit anyar, entuk asil sing apik. Produksi gas baterei wis suda sacara signifikan sajrone panyimpenan lan muter ing suhu dhuwur. Riset nuduhake yen komponen membran SEI sing dibentuk dening EC lan VC yaiku alkil lithium karbonat linier. Ing suhu dhuwur, alkil lithium karbonat sing ditempelake ing LiC ora stabil lan decomposes dadi gas kayata CO2, nyebabake batere dadi gedhe. Film SEI sing dibentuk dening PS yaiku lithium alkil sulfonat. Sanajan film kasebut duwe cacat, nanging nduweni struktur rong dimensi tartamtu lan isih stabil nalika ditempelake ing LiC ing suhu dhuwur. Nalika VC lan PS digunakake ing kombinasi, PS mbentuk struktur loro-dimensi risak ing lumahing elektroda negatif ing voltase kurang. Nalika voltase mundhak, VC mbentuk struktur linier alkil lithium karbonat ing permukaan elektroda negatif. Alkil lithium karbonat kapenuhan ing cacat saka struktur loro-dimensi, mbentuk film SEI stabil karo struktur jaringan ditempelake LiC. Membran SEI kanthi struktur iki ningkatake stabilitas lan bisa nyuda produksi gas sing disebabake dening dekomposisi membran.