چرا سلول های کیسه ای متورم می شوند؟

دلایل زیادی برای متورم شدن باتری‌های کیسه‌ای-لیتیومی- وجود دارد. بر اساس تجربیات تحقیق و توسعه تجربی، علل تورم را می توان به سه نوع دسته بندی کرد: اول، افزایش ضخامت ناشی از انبساط صفحات الکترود باتری در طول دوچرخه سواری. دوم، تورم ناشی از تولید گاز ناشی از تجزیه اکسیداتیو الکترولیت. و سوم، تورم ناشی از عیوب ساخت، مانند ورود رطوبت به دلیل آب بندی ضعیف یا آسیب در گوشه های سلول.

عوامل غالب تغییر در ضخامت باتری در مواد شیمیایی مختلف باتری متفاوت است. به عنوان مثال، در باتری هایی که از آندهای لیتیوم تیتانات (LTO) استفاده می کنند، تولید گاز علت اصلی تورم است. در مقابل، برای باتری‌های دارای آند گرافیتی، هم انبساط ورق الکترود و هم تولید گاز به تورم کمک می‌کنند.

بحث در مورد عوامل و مکانیسم های موثر بر گسترش آند گرافیت

افزایش ضخامت سلول در طول شارژ باتری‌های لیتیوم{0} یون در درجه اول به انبساط آند نسبت داده می‌شود. نرخ انبساط کاتد تنها 2-4٪ است. آندها معمولاً از گرافیت، یک اتصال دهنده و کربن رسانا تشکیل شده‌اند و خود ماده گرافیت نرخ انبساط تقریباً 10% را نشان می‌دهد. عوامل کلیدی موثر بر سرعت انبساط آندهای گرافیت شامل تشکیل فیلم SEI (Solid Electrolyte Interphase)، وضعیت بار (SOC)، پارامترهای فرآیند و سایر متغیرها است.

(1) تشکیل فیلم SEI
در طول چرخه شارژ اولیه-تخلیه باتری لیتیوم-، یک واکنش کاهشی بین الکترولیت و ذرات گرافیت در سطح جامد-مایع رخ می‌دهد و یک لایه غیرفعال (فیلم SEI) روی ماده الکترود تشکیل می‌دهد. تشکیل فیلم SEI منجر به افزایش قابل توجهی در ضخامت آند می شود که به افزایش کلی ضخامت سلولی تقریباً 4٪ کمک می کند. در طول دوره دوچرخه‌سواری طولانی مدت، ساختار فیزیکی و سطح ویژه گرافیت بر فرآیند پویایی که شامل انحلال SEI موجود و تشکیل SEI جدید است، تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، گرافیت پولکی نرخ انبساط بالاتری نسبت به گرافیت کروی دارد.

(2) وضعیت شارژ (SOC)
در طول فرآیند چرخه، گسترش حجم آند گرافیت یک رابطه عملکردی دوره ای قوی با SOC سلول نشان می دهد. به طور خاص، با وارد شدن یون های لیتیوم به گرافیت، حجم به تدریج افزایش می یابد (SOC سلول را افزایش می دهد). برعکس، وقتی یونهای لیتیوم از آند گرافیت وارد می‌شوند، SOC سلول کاهش می‌یابد و حجم آند گرافیت بر این اساس کوچک می‌شود.

(3) پارامترهای فرآیند
با توجه به پارامترهای فرآیند، چگالی تراکم به طور قابل توجهی بر آند گرافیت تأثیر می گذارد. در طی پرس سرد ورق الکترود، تنش فشاری قابل توجهی در لایه پوشش آند گرافیت ایجاد می شود. رفع این استرس در مراحل بعدی مانند پخت در دمای بالا دشوار است. در طول چرخه تخلیه{3}}شارژ، اثرات ترکیبی-تلفیق یون لیتیوم/د-تفکیک القاء شده با الکترولیت-بایندر باعث آزاد شدن تنش در پوشش می‌شود که منجر به افزایش انبساط می‌شود. علاوه بر این، چگالی تراکم حجم فضای خالی را در پوشش آند تعیین می کند. حجم خالی زیاد می تواند به طور موثری انبساط ورق الکترود را در خود جای دهد.

برعکس، اگر حجم خالی کوچک باشد، فضای کافی برای جذب انبساط وجود ندارد. در نتیجه، انبساط مجبور به بیرون می شود و به صورت افزایش در حجم کلی ورق آند ظاهر می شود.

(4) سایر عوامل
سایر عوامل مؤثر بر انبساط آند عبارتند از: قدرت چسبندگی بایندر (مخصوصاً چسبندگی سطحی بین بایندر، ذرات گرافیت، کربن رسانا و کلکتور جریان)، نرخ‌های تخلیه-، رفتار متورم شدن چسب در الکترولیت، شکل و چگالی بسته‌بندی ذرات در طول چرخه‌زدایی و افزایش حجم ذرات گرافیت.

Acey New Energy در تحقیق و ساخت تجهیزات پیشرفته برای باتری‌های لیتیوم- تخصص دارد. ما می توانیم یک راه حل-توقف برای مقیاس آزمایشگاهی- ارائه دهیمخط تولید باتریبرای باتری استوانه ای، سلول سکه ای، سلول کیسه ای

تولید گاز در باتری یکی دیگر از دلایل اصلی تورم است.

باتری‌ها درجات مختلفی از تولید گاز و تورم را در حین دوچرخه‌سواری در دمای اتاق یا دمای بالا و همچنین در هنگام ذخیره{0}در دمای بالا تجربه می‌کنند.

در طول چرخه تخلیه{0} بار اولیه، یک لایه بین فاز الکترولیت جامد (SEI) روی سطح الکترود تشکیل می‌شود. تشکیل لایه SEI (اینترفاز الکترولیت جامد) روی آند در درجه اول از تجزیه تقلیل EC (اتیلن کربنات) ناشی می شود. تولید آلکیل لیتیوم و Li2CO3 با تولید مقادیر قابل توجهی CO و C2H4 همراه است. حلال‌هایی مانند DMC (دی متیل کربنات) و EMC (اتیل متیل کربنات) نیز به تشکیل فیلم کمک می‌کنند و RLiCO3 و ROLi را در کنار گازهایی مانند CH4، C2H6، C3H8 و CO تولید می‌کنند. در الکترولیت‌های مبتنی بر PC (کربنات پروپیلن)-، تولید گاز از PCH به نسبت اولیه کاهش می‌یابد. برای سلول های کیسه ای LiFePO4، تورم گاز پس از تکمیل چرخه شارژ اولیه 0.1 درجه سانتیگراد شدیدترین است.

بدیهی است که تشکیل SEI به ناچار با تولید مقادیر قابل توجهی گاز همراه است. وجود ناخالصی‌های H2O پیوندهای P{2}F را در LiPF6 بی‌ثبات می‌کند و منجر به تشکیل HF می‌شود. این باعث بی ثباتی سیستم باتری و تولید گاز می شود. H2O بیش از حد یون های Li+ را مصرف می کند و LiOH، LiO2 و H2 تولید می کند که منجر به تکامل گاز نیز می شود. تولید گاز همچنین در هنگام ذخیره سازی و شارژ طولانی{10}}چرخه تخلیه اتفاق می افتد. در باتری‌های لیتیوم{11} یون مهر و موم شده، تجمع قابل توجه گاز باعث تورم می‌شود و در نتیجه عملکرد باتری را مختل می‌کند و عمر مفید آن را کوتاه می‌کند. دلایل اصلی تولید گاز در حین ذخیره سازی به شرح زیر است:

(1) H2O موجود در سیستم باتری منجر به تشکیل HF می شود که به لایه SEI آسیب می رساند. اکسیژن (O2) در سیستم ممکن است الکترولیت را اکسید کند و منجر به تولید مقادیر زیادی CO2 شود.
(2) اگر لایه SEI تشکیل شده در طول فعال سازی اولیه (تشکیل) ناپایدار باشد، ممکن است در طول ذخیره سازی تخریب شود. تعمیر بعدی لایه SEI گازهایی را آزاد می کند که عمدتاً از هیدروکربن ها تشکیل شده است. در طول چرخه تخلیه طولانی مدت-شارژ-، تغییرات در ساختار کریستالی مواد کاتد و توزیع غیریکنواخت پتانسیل در سطح الکترود می‌تواند باعث ایجاد پتانسیل‌های بالای موضعی شود. این باعث کاهش پایداری الکترولیت در سطح مشترک الکترود می شود. ضخیم شدن مداوم لایه سطحی مقاومت سطحی را افزایش می دهد و پتانسیل واکنش را بیشتر می کند. این باعث تجزیه الکترولیت و تولید گاز می شود، در حالی که خود ماده کاتد نیز ممکن است گاز آزاد کند.

باتری ها بسته به سیستم شیمیایی خود درجات مختلفی از تورم را نشان می دهند. در باتری‌هایی که از آندهای گرافیتی استفاده می‌کنند، دلایل اصلی تولید گاز و تورم عبارتند از-همانطور که قبلاً ذکر شد-تشکیل لایه SEI، رطوبت بیش از حد در سلول، ناهنجاری‌ها در فرآیند تشکیل و آب‌بندی ضعیف. در مقابل، در سیستم آند لیتیوم تیتانات (LTO)، صنعت به طور کلی تولید گاز در باتری‌های Li4Ti5O12 را به تمایل ذاتی مواد به جذب رطوبت نسبت می‌دهد، اگرچه شواهد قطعی برای تأیید این فرضیه وجود ندارد.

1. آب بندی ضعیف:بروز سلول های متورم ناشی از نقص های آب بندی به طور قابل توجهی کاهش یافته است. نقص می تواند در هر طرف آب بندی رخ دهد، با آب بندی بالا و گاز زدایی رایج ترین مناطق مشکل است. مسائل آب بندی بالایی معمولاً ناحیه زبانه را شامل می شود، در حالی که مسائل گاز زدایی اغلب شامل لایه لایه شدن است. آب بندی ضعیف اجازه می دهد تا رطوبت اتمسفر وارد سلول شود و باعث تجزیه الکترولیت و تولید گاز شود.

2. آسیب سطح کیسه:در طول جریان خط تولید، کیسه ممکن است آسیب تصادفی یا ناشی از انسان- (مانند سوراخ‌های سوزنی) را متحمل شود که به رطوبت اجازه می‌دهد به داخل سلول نفوذ کند.

3. آسیب گوشه:به دلیل تغییر شکل خاص لایه آلومینیومی در گوشه های تا شده، حرکت کیسه گاز می تواند گوشه را بچرخاند و به آلومینیوم آسیب برساند (سلول های بزرگتر با کیسه های گاز بزرگتر مستعد این امر هستند) و مانع رطوبت را به خطر بیندازد. استفاده از نوار کرپ یا چسب{1}}ذوب داغ در گوشه ها می تواند به کاهش این خطر کمک کند. علاوه بر این، جابجایی سلول ها توسط کیسه گاز پس از آب بندی بالا ممنوع است. در حین کار باید مراقبت ویژه ای انجام شود تا از تاب خوردن سلول ها در حین روی قفسه های قدیمی جلوگیری شود.

4. رطوبت داخلی بیش از حد:اگر سطح رطوبت از حد مجاز فراتر رود، الکترولیت تجزیه می شود و منجر به تولید گاز پس از تشکیل یا گاززدایی می شود. علل اولیه رطوبت بیش از حد داخلی عبارتند از: رطوبت زیاد در الکترولیت، رطوبت زیاد در سلول خالی پس از پخت و رطوبت بیش از حد در اتاق خشک. اگر رطوبت بیش از حد به عنوان علت تورم مشکوک باشد، می توان یک بررسی ردیابی فرآیند انجام داد.

5. ناهنجاری های فرآیند تشکیل:روش های تشکیل نادرست می تواند منجر به تورم سلولی شود.

6. لایه SEI ناپایدار:تورم جزئی ممکن است در طول شارژ-چرخه‌های تخلیه آزمایش ظرفیت. 7. شارژ بیش‌ازحد-دشارژ رخ دهد: به دلیل نقص در فرآیند، تجهیزات یا برد مدار حفاظتی (PCB)، سلول باتری دچار شارژ بیش‌ازحد یا دشارژ بیش از حد می‌شود که منجر به ایجاد تورم شدید می‌شود.

8. اتصال کوتاه:خطاهای عملیاتی که باعث تماس بین زبانه های سلول زنده می شود منجر به اتصال کوتاه می شود. سلول متورم می شود، ولتاژ به سرعت کاهش می یابد و زبانه ها سیاه می شوند.

9. اتصال کوتاه داخلی:اتصال کوتاه بین آند و کاتد در داخل سلول باعث تخلیه سریع و تولید گرما می شود که با تورم شدید همراه است. علل عبارتند از نقص طراحی. انقباض، پیچش یا آسیب جداکننده؛ ناهماهنگی سلول های bi-. سوراخ سوراخ کردن جداکننده؛ فشار بیش از حد ثابت؛ یا بیش از-فشرده شدن توسط دستگاه آب بندی حرارتی{3}}. برای مثال، عرض ناکافی همراه با فشردگی بیش از حد بدنه سلولی توسط دستگاه آب بندی گرما، قبلاً باعث کوتاه شدن آند-و تورم کاتد شده است.

10. خوردگی:خوردگی سلول، لایه آلومینیوم را مصرف می کند و عملکرد سد رطوبتی آن را از بین می برد و منجر به تورم می شود.

11. گاز زدایی غیرعادی در خلاء:مشکلات سیستم یا تجهیزات منجر به سطوح نامناسب خلاء یا گاز زدایی ناقص می شود. به عنوان مثال، اگر ناحیه تابش گرما در حین آب بندی خلاء بیش از حد بزرگ باشد، ابزار سوراخ کننده گاززدایی ممکن است به طور موثر کیسه را سوراخ نکند و در نتیجه گاز ناقص استخراج شود.

سرکوب تولید گاز غیرعادی مستلزم پرداختن به طراحی مواد و فرآیندهای ساخت است.

اول،سیستم های مواد و الکترولیت باید برای اطمینان از تشکیل یک لایه متراکم و پایدار بین فاز الکترولیت جامد (SEI)، افزایش پایداری مواد کاتد و جلوگیری از تولید غیرعادی گاز بهینه شوند.

در مورد تصفیه الکترولیت، مقدار کمی از افزودنی‌های تشکیل‌دهنده فیلم اغلب استفاده می‌شود تا لایه SEI یکنواخت‌تر و متراکم‌تر شود. این باعث کاهش تولید گاز ناشی از جدا شدن فیلم SEI و بازسازی در طول استفاده از باتری می شود و در نتیجه تورم را کاهش می دهد. چنین روش هایی در تحقیقات مستند شده و در عمل به کار گرفته شده اند.

تحقیقات نشان می دهد که اجزای فیلم SEI تشکیل شده توسط EC (اتیلن کربنات) و VC (کربنات وینیل) از کربنات های آلکیل لیتیوم خطی تشکیل شده است. در دماهای بالا، کربنات‌های لیتیوم آلکیل متصل به کربن لیتیوم (LiC) ناپایدار هستند و برای تولید گازها (مانند CO2) تجزیه می‌شوند که منجر به متورم شدن باتری می‌شود. فیلم SEI تشکیل شده توسط PS از لیتیوم آلکیل سولفونات تشکیل شده است. اگرچه فیلم حاوی عیوب است، اما دارای ساختار دو بعدی معینی است و حتی در دماهای بالا بر روی سطح LiC نسبتاً پایدار می ماند. هنگامی که PS و VC به صورت ترکیبی استفاده می شوند، PS یک ساختار دو بعدی معیوب در سطح آند در ولتاژهای پایین تر تشکیل می دهد. با افزایش ولتاژ، VC یک کربنات آلکیل لیتیوم خطی-ساختار خطی تشکیل می‌دهد که عیوب ساختار دو بعدی را پر می‌کند، و در نتیجه یک لایه SEI با ساختار شبکه‌ای{8} پایدار روی LiC ایجاد می‌شود. این نوع ساختار فیلم SEI به طور قابل توجهی پایداری را افزایش می دهد و به طور موثر تولید گاز ناشی از تجزیه فیلم را سرکوب می کند.

علاوه بر این،فعل و انفعالات بین ماده کاتد اکسید کبالت لیتیوم و الکترولیت منجر به محصولات تجزیه می شود که تجزیه حلال های الکترولیت را کاتالیز می کند. در نتیجه، اعمال یک پوشش سطحی بر روی ماده کاتد نه تنها پایداری ساختاری را بهبود می بخشد، بلکه تماس بین کاتد و الکترولیت را به حداقل می رساند، در نتیجه تولید گاز ناشی از فعالیت تجزیه کاتالیزوری کاتد را کاهش می دهد. بنابراین، تشکیل یک لایه پوششی پایدار و دست نخورده بر روی سطح ذرات مواد کاتدی یک جهت اصلی برای توسعه فعلی است.

ایسی نیو انرژیمتخصص در ارائه-راه‌حل‌های یک توقف برای خطوط مونتاژ نیمه خودکار/کاملاً{2} خودکار بسته‌های باتری لیتیومی مورد استفاده در ESS، UAV، E-دوچرخه، E-روروک مخصوص بچه‌ها، ابزارهای برقی، دو/سه چرخ، باتری‌های جدید، و غیره اگر می‌خواهید باتری‌های جدید خود را داشته باشید، و غیره. خط تولید باتری لیتیوم یون یا لیتیوم یونخط مونتاژ بسته باتری، ما می توانیم پشتیبانی و راهنمایی فنی حرفه ای را به شما ارائه دهیم، لطفا با ما تماس بگیرید!

اکنون تماس بگیرید