เหตุใดเซลล์กระเป๋าจึงบวม?

มีสาเหตุหลายประการที่ทำให้แบตเตอรี่-ลิเธียมไอออนชนิดกระเป๋า-พองตัว จากประสบการณ์การวิจัยและพัฒนาเชิงทดลอง สาเหตุของการบวมสามารถแบ่งได้เป็นสามประเภท: ประการแรก ความหนาที่เพิ่มขึ้นซึ่งเกิดจากการขยายตัวของแผ่นอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ในระหว่างการปั่นจักรยาน; ประการที่สอง การบวมที่เกิดจากการสร้างก๊าซอันเป็นผลมาจากการสลายตัวแบบออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์ และประการที่สาม การบวมที่เกิดจากข้อบกพร่องในการผลิต เช่น ความชื้นที่เข้าไปเนื่องจากการปิดผนึกที่ไม่ดีหรือความเสียหายที่มุมเซลล์

ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความหนาของแบตเตอรี่แตกต่างกันไปตามเคมีของแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ในแบตเตอรี่ที่ใช้ขั้วบวกลิเธียมไททาเนต (LTO) การผลิตก๊าซเป็นสาเหตุหลักของอาการบวม ในทางตรงกันข้าม สำหรับแบตเตอรี่ที่มีกราไฟท์แอโนด ทั้งการขยายตัวของแผ่นอิเล็กโทรดและการสร้างก๊าซมีส่วนทำให้เกิดการบวม

การอภิปรายเกี่ยวกับปัจจัยและกลไกที่ส่งผลต่อการขยายตัวของกราไฟท์แอโนด

ความหนาของเซลล์ที่เพิ่มขึ้นในระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม- มีสาเหตุหลักมาจากการขยายตัวของขั้วบวก อัตราการขยายตัวของแคโทดเพียง 2–4% โดยทั่วไปแอโนดจะประกอบด้วยกราไฟต์ สารยึดเกาะ และคาร์บอนนำไฟฟ้า โดยตัวกราไฟท์จะมีอัตราการขยายตัวประมาณ 10% ปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่ออัตราการขยายตัวของกราไฟท์แอโนด ได้แก่ การก่อตัวของฟิล์ม SEI (Solid Electrolyte Interphase) สถานะการชาร์จ (SOC) พารามิเตอร์กระบวนการ และตัวแปรอื่นๆ

(1) การสร้างภาพยนตร์ SEI
ในระหว่างรอบการชาร์จ-เริ่มแรกของแบตเตอรี่ลิเธียม- ปฏิกิริยารีดักชันเกิดขึ้นระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอนุภาคกราไฟต์ที่ส่วนต่อประสานของของเหลว- ที่เป็นของแข็ง ทำให้เกิดชั้นฟิล์ม (ฟิล์ม SEI) เหนือวัสดุอิเล็กโทรด การก่อตัวของฟิล์ม SEI ส่งผลให้ความหนาของแอโนดเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ความหนาของเซลล์โดยรวมเพิ่มขึ้นประมาณ 4% ตลอดระยะเวลา-การปั่นจักรยานในระยะยาว โครงสร้างทางกายภาพและพื้นที่ผิวจำเพาะของกราไฟท์มีอิทธิพลต่อกระบวนการไดนามิกที่เกี่ยวข้องกับการสลาย SEI ที่มีอยู่และการก่อตัวของ SEI ใหม่ ตัวอย่างเช่น กราไฟท์เกล็ดมีอัตราการขยายตัวที่สูงกว่ากราไฟท์ทรงกลม

(2) สถานะการชาร์จ (SOC)
ในระหว่างกระบวนการปั่นจักรยาน การขยายตัวของปริมาตรของกราไฟท์แอโนดแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์เชิงฟังก์ชันที่แข็งแกร่งเป็นระยะๆ กับ SOC ของเซลล์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปริมาตรจะค่อยๆ ขยายตัวเมื่อลิเธียมไอออนแทรกเข้าไปในกราไฟต์ (เพิ่ม SOC ของเซลล์) ในทางกลับกัน เมื่อลิเธียมไอออน-แทรกแซงจากขั้วบวกของกราไฟท์ SOC ของเซลล์จะลดลง และปริมาตรของขั้วบวกของกราไฟท์จะลดลงตามไปด้วย

(3) พารามิเตอร์กระบวนการ
ในส่วนของพารามิเตอร์กระบวนการ ความหนาแน่นของการบดอัดมีผลกระทบอย่างมากต่อขั้วบวกของกราไฟท์ ในระหว่างการกดเย็นของแผ่นอิเล็กโทรด ความเค้นอัดจำนวนมากจะเกิดขึ้นภายในชั้นเคลือบแอโนดกราไฟท์ ความเครียดนี้เป็นเรื่องยากที่จะบรรเทาได้อย่างเต็มที่ในระหว่างขั้นตอนต่อๆ ไป เช่น-การอบที่อุณหภูมิสูง ในระหว่างการประจุ-วงจรการคายประจุ ผลรวมของการอินเตอร์คาเลชัน/ดี-ลิเธียม-ไอออนและอิเล็กโทรไลต์-ทำให้เกิดการบวมของสารยึดเกาะทำให้เกิดความเครียดภายในสารเคลือบที่ถูกปล่อยออกมา ซึ่งนำไปสู่การขยายตัวที่เพิ่มขึ้น นอกจากนี้ ความหนาแน่นของการบดอัดจะกำหนดปริมาตรโมฆะภายในการเคลือบแอโนด ปริมาตรช่องว่างขนาดใหญ่สามารถรองรับการขยายตัวของแผ่นอิเล็กโทรดได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในทางกลับกัน ถ้าปริมาตรของโมฆะมีขนาดเล็ก ก็แสดงว่ามีพื้นที่ไม่เพียงพอที่จะดูดซับการขยายตัว ดังนั้นการขยายตัวจึงถูกบังคับให้ออกไปด้านนอก ซึ่งแสดงให้เห็นว่าปริมาตรโดยรวมของแผ่นแอโนดเพิ่มขึ้น

(4) ปัจจัยอื่น ๆ
ปัจจัยอื่นๆ ที่มีอิทธิพลต่อการขยายตัวของขั้วบวก ได้แก่ ความแข็งแรงในการยึดเกาะของสารยึดเกาะ (โดยเฉพาะการยึดเกาะของพื้นผิวระหว่างสารยึดเกาะ อนุภาคกราไฟต์ คาร์บอนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และตัวสะสมกระแสไฟฟ้า) อัตราการคายประจุ- พฤติกรรมการบวมตัวของสารยึดเกาะในอิเล็กโทรไลต์ รูปร่างและความหนาแน่นของการอัดแน่นของอนุภาคกราไฟท์ และปริมาตรของอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้นอันเป็นผลมาจากการเสื่อมสภาพของสารยึดเกาะในระหว่างการหมุนเวียน

Acey New Energy มีความเชี่ยวชาญในการวิจัยและการผลิตอุปกรณ์-ระดับไฮเอนด์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม- เราสามารถจัดหา-โซลูชันครบวงจรสำหรับห้องปฏิบัติการ-ได้สายการผลิตแบตเตอรี่สำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอก เซลล์แบบเหรียญ เซลล์กระเป๋า

การสร้างก๊าซภายในแบตเตอรี่เป็นอีกสาเหตุสำคัญของการบวม

แบตเตอรี่มีระดับของการเกิดก๊าซและการบวมตัวที่แตกต่างกันระหว่างการปั่นจักรยานที่อุณหภูมิห้องหรืออุณหภูมิสูง รวมถึงระหว่างการเก็บรักษาที่อุณหภูมิสูง-

ในระหว่างรอบการปล่อยประจุเริ่มต้น- ฟิล์มโซลิดอิเล็กโทรไลต์อินเตอร์เฟส (SEI) จะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวอิเล็กโทรด การก่อตัวของชั้น SEI (Solid Electrolyte Interphase) บนขั้วบวกส่วนใหญ่เป็นผลมาจากการสลายตัวที่ลดลงของ EC (เอทิลีนคาร์บอเนต) การสร้างอัลคิลลิเธียมและ Li2CO3 นั้นมาพร้อมกับการผลิต CO และ C2H4 ในปริมาณที่มีนัยสำคัญ ตัวทำละลาย เช่น DMC (ไดเมทิลคาร์บอเนต) และ EMC (เอทิลเมทิลคาร์บอเนต) ยังมีส่วนทำให้เกิดฟิล์ม ทำให้ได้ RLiCO3 และ ROLi ควบคู่ไปกับก๊าซ เช่น CH4, C2H6, C3H8 และ CO ในอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ PC (โพรพิลีนคาร์บอเนต)- การสร้างก๊าซจะค่อนข้างสูง สาเหตุหลักมาจากการผลิตก๊าซ C3H8 จากการลดปริมาณ PC สำหรับเซลล์ถุง LiFePO4 การบวมของก๊าซจะรุนแรงที่สุดหลังจากเสร็จสิ้นรอบการชาร์จเริ่มต้นที่ 0.1C

เห็นได้ชัดว่าการก่อตัวของ SEI เกิดขึ้นพร้อมกับการสร้างก๊าซจำนวนมากอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ การมีอยู่ของสิ่งเจือปนของ H2O จะทำให้พันธะ P-F ใน LiPF6 ไม่เสถียร ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของ HF; สิ่งนี้จะทำให้ระบบแบตเตอรี่ไม่เสถียรและก่อให้เกิดก๊าซ H2O ที่มากเกินไปจะใช้ Li+ ไอออน ทำให้เกิด LiOH, LiO2 และ H2 ซึ่งส่งผลให้เกิดการวิวัฒนาการของก๊าซด้วย การเกิดก๊าซยังเกิดขึ้นระหว่างการเก็บรักษาและการหมุนเวียนประจุ-การคายประจุที่ยืดเยื้อ ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบปิดผนึก- การสะสมก๊าซจำนวนมากทำให้เกิดอาการบวม ส่งผลให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลงและทำให้อายุการใช้งานสั้นลง สาเหตุหลักในการสร้างก๊าซระหว่างการเก็บรักษามีดังนี้:

(1) H2O ที่มีอยู่ในระบบแบตเตอรี่ทำให้เกิด HF ซึ่งสร้างความเสียหายให้กับชั้น SEI ออกซิเจน (O2) ในระบบอาจออกซิไดซ์อิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้เกิด CO2 จำนวนมาก
(2) หากชั้น SEI เกิดขึ้นระหว่างการเปิดใช้งานครั้งแรก (การก่อตัว) ไม่เสถียร อาจเสื่อมสภาพระหว่างการเก็บรักษา การซ่อมแซมชั้น SEI ในภายหลังจะปล่อยก๊าซที่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนเป็นหลัก ในระหว่างการหมุนเวียนการคายประจุ-ระยะยาว- การเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างผลึกของวัสดุแคโทดและ-การกระจายศักย์ไฟฟ้าไม่สม่ำเสมอทั่วพื้นผิวอิเล็กโทรดอาจทำให้เกิดศักยภาพสูงเฉพาะที่ ซึ่งจะลดความเสถียรของอิเล็กโทรไลต์ที่ส่วนต่อประสานของอิเล็กโทรด ฟิล์มพื้นผิวที่หนาขึ้นอย่างต่อเนื่องจะเพิ่มความต้านทานต่อพื้นผิว และเพิ่มศักยภาพในการเกิดปฏิกิริยา สิ่งนี้จะกระตุ้นให้เกิดการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และเกิดก๊าซ ในขณะที่วัสดุแคโทดเองก็อาจปล่อยก๊าซออกมาเช่นกัน

แบตเตอรี่มีระดับการบวมที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับระบบทางเคมี ในแบตเตอรี่ที่ใช้กราไฟท์แอโนด สาเหตุหลักของการเกิดก๊าซและการบวมเป็น-ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้-การก่อตัวของชั้น SEI ปริมาณความชื้นที่มากเกินไปภายในเซลล์ ความผิดปกติในกระบวนการก่อตัว และการปิดผนึกที่ไม่ดี ในทางตรงกันข้าม ภายในระบบแอโนดลิเธียมไททาเนต (LTO) โดยทั่วไปอุตสาหกรรมจะถือว่าการผลิตก๊าซในแบตเตอรี่ Li4Ti5O12 เกิดจากแนวโน้มโดยธรรมชาติของวัสดุในการดูดซับความชื้น แม้ว่าจะไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดที่จะยืนยันสมมติฐานนี้ก็ตาม

1. การปิดผนึกไม่ดี:อุบัติการณ์ของเซลล์บวมที่เกิดจากข้อบกพร่องในการปิดผนึกลดลงอย่างมาก ข้อบกพร่องสามารถเกิดขึ้นได้ที่ด้านซีลใดๆ โดยซีลด้านบนและซีลไล่แก๊สเป็นปัญหาที่พบบ่อยที่สุด ปัญหาการปิดผนึกที่พบบ่อยมักเกี่ยวข้องกับบริเวณแท็บ ในขณะที่ปัญหาการไล่แก๊สมักเกี่ยวข้องกับการแยกชั้น การปิดผนึกที่ไม่ดีทำให้ความชื้นในบรรยากาศเข้าสู่เซลล์ กระตุ้นให้เกิดการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และเกิดก๊าซ

2. ความเสียหายที่พื้นผิวกระเป๋า:ในระหว่างการไหลของสายการผลิต กระเป๋าอาจรักษาความเสียหายที่เกิดจากอุบัติเหตุหรือโดยมนุษย์- (เช่น รูเข็ม) ปล่อยให้ความชื้นทะลุผ่านภายในเซลล์ได้

3. ความเสียหายที่มุม:เนื่องจากการเสียรูปเฉพาะของชั้นอะลูมิเนียมที่มุมพับ การเคลื่อนตัวของถุงแก๊สอาจบิดมุมได้ ซึ่งสร้างความเสียหายให้กับอะลูมิเนียม (เซลล์ขนาดใหญ่ที่มีถุงแก๊สขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะเกิดเหตุการณ์นี้มากกว่า) และทำให้เกราะป้องกันความชื้นลดลง การใช้เทปเครปหรือกาว-ร้อนละลายที่มุมสามารถช่วยลดความเสี่ยงนี้ได้ นอกจากนี้ ห้ามจับเซลล์ด้วยถุงแก๊สหลังจากการปิดผนึกด้านบนแล้ว ต้องใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษระหว่างการดำเนินการเพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์แกว่งไปมาขณะอยู่บนชั้นวางที่เสื่อมสภาพ

4. ปริมาณความชื้นภายในที่มากเกินไป:หากระดับความชื้นเกินขีดจำกัด อิเล็กโทรไลต์จะสลายตัว ส่งผลให้เกิดก๊าซหลังจากการก่อตัวหรือการลดก๊าซ สาเหตุหลักของความชื้นภายในที่มากเกินไป ได้แก่: มีความชื้นสูงในอิเล็กโทรไลต์ มีความชื้นสูงในเซลล์เปลือยหลังจากการอบ และความชื้นมากเกินไปในห้องแห้ง หากสงสัยว่ามีความชื้นมากเกินไปเป็นสาเหตุของการบวม สามารถตรวจสอบย้อนกลับของกระบวนการได้

5. ความผิดปกติของกระบวนการก่อตัว:ขั้นตอนการสร้างที่ไม่ถูกต้องอาจทำให้เซลล์บวมได้

6. ชั้น SEI ที่ไม่เสถียร:การบวมเล็กน้อยอาจเกิดขึ้นในระหว่าง-รอบการคายประจุของการทดสอบความจุ. 7. การคายประจุเกิน/เกิน-: เนื่องจากกระบวนการ อุปกรณ์ หรือแผงวงจรป้องกัน (PCB) ทำงานผิดปกติ เซลล์แบตเตอรี่จึงมีการประจุมากเกินไปหรือคายประจุมากเกินไป ส่งผลให้เกิดการบวมอย่างรุนแรง (การเกิดก๊าซ)

8. ไฟฟ้าลัดวงจร:ข้อผิดพลาดในการปฏิบัติงานที่ทำให้เกิดการสัมผัสกันระหว่างแท็บเซลล์ที่มีชีวิตส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร เซลล์จะขยายตัว แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างรวดเร็ว และแถบกลายเป็นสีดำไหม้

9. ลัดวงจรภายใน:การลัดวงจรระหว่างขั้วบวกและแคโทดภายในเซลล์ทำให้เกิดการคายประจุและความร้อนอย่างรวดเร็ว พร้อมด้วยอาการบวมอย่างรุนแรง สาเหตุรวมถึงข้อบกพร่องด้านการออกแบบ การหดตัวของตัวคั่น การม้วนงอ หรือความเสียหาย การวางแนวที่ไม่ตรงของเซลล์สอง- เสี้ยนเจาะตัวคั่น; แรงดันฟิกซ์เจอร์มากเกินไป หรือมากกว่า-การบีบอัดด้วยเครื่องซีลความร้อน- ตัวอย่างเช่น ความกว้างที่ไม่เพียงพอรวมกับการบีบอัดตัวเซลล์มากเกินไปด้วยเครื่องซีลด้วยความร้อน- ก่อนหน้านี้ทำให้ขั้วบวก-แคโทดสั้นและบวม

10. การกัดกร่อน:การกัดกร่อนของเซลล์กินชั้นอะลูมิเนียม ทำลายฟังก์ชันกั้นความชื้นและนำไปสู่การบวม

11. การไล่แก๊สสูญญากาศผิดปกติ:ปัญหาเกี่ยวกับระบบหรืออุปกรณ์ส่งผลให้ระดับสุญญากาศไม่เหมาะสมหรือการไล่ก๊าซที่ไม่สมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น หากโซนการแผ่รังสีความร้อนระหว่างการปิดผนึกสูญญากาศมีขนาดใหญ่เกินไป เครื่องมือเจาะไล่แก๊สอาจไม่สามารถเจาะถุงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้การสกัดก๊าซไม่สมบูรณ์

การปราบปรามการสร้างก๊าซที่ผิดปกติจำเป็นต้องจัดการกับทั้งการออกแบบวัสดุและกระบวนการผลิต

อันดับแรก,วัสดุและระบบอิเล็กโทรไลต์ต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าการก่อตัวของฟิล์มโซลิดอิเล็กโทรไลต์ระหว่างเฟส (SEI) หนาแน่นและเสถียร เพิ่มความเสถียรของวัสดุแคโทด และยับยั้งการสร้างก๊าซที่ผิดปกติ

เกี่ยวกับการบำบัดด้วยอิเล็กโทรไลต์ สารเติมแต่งที่ก่อให้เกิดฟิล์ม-จำนวนเล็กน้อยมักใช้เพื่อทำให้ฟิล์ม SEI มีความสม่ำเสมอและหนาแน่นมากขึ้น ซึ่งจะช่วยลดการสร้างก๊าซที่เกิดจากการหลุดออกของฟิล์ม SEI และการสร้างใหม่ระหว่างการใช้แบตเตอรี่ จึงช่วยลดอาการบวมได้ วิธีการดังกล่าวได้รับการบันทึกไว้ในการวิจัยและนำไปใช้ในทางปฏิบัติ

การวิจัยระบุว่าส่วนประกอบของฟิล์ม SEI ที่เกิดจาก EC (เอทิลีนคาร์บอเนต) และ VC (ไวนิลคาร์บอเนต) ประกอบด้วยลิเธียมอัลคิลคาร์บอเนตเชิงเส้น ที่อุณหภูมิสูง ลิเธียมอัลคิลคาร์บอเนตที่ติดอยู่กับคาร์บอนลิเธียด (LiC) จะไม่เสถียรและสลายตัวเพื่อสร้างก๊าซ (เช่น CO2) ส่งผลให้แบตเตอรี่บวม ฟิล์ม SEI ที่เกิดจาก PS ประกอบด้วยลิเธียมอัลคิลซัลโฟเนต แม้ว่าฟิล์มจะมีข้อบกพร่อง แต่ก็มีโครงสร้างสองมิติ-ที่แน่นอนและยังคงค่อนข้างเสถียรบนพื้นผิว LiC แม้ที่อุณหภูมิสูง เมื่อใช้ PS และ VC ร่วมกัน PS จะสร้างโครงสร้างสอง-ที่มีข้อบกพร่องบนพื้นผิวแอโนดที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น VC จะก่อตัวเป็นลิเธียมอัลคิลคาร์บอเนตที่มีโครงสร้าง-เชิงเส้นซึ่งเติมเต็มข้อบกพร่องในโครงสร้างสอง- ส่งผลให้ได้ฟิล์ม SEI ที่มีโครงสร้างเครือข่าย-ที่เสถียรบน LiC โครงสร้างฟิล์ม SEI ประเภทนี้ช่วยเพิ่มความเสถียรอย่างมาก และยับยั้งการสร้างก๊าซที่เกิดจากการสลายตัวของฟิล์มได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้,ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุแคโทดลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์และอิเล็กโทรไลต์ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวที่กระตุ้นการสลายตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์ ด้วยเหตุนี้ การใช้การเคลือบพื้นผิวกับวัสดุแคโทดไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มเสถียรภาพของโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังช่วยลดการสัมผัสระหว่างแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ด้วย จึงช่วยลดการสร้างก๊าซที่เกิดจากกิจกรรมการสลายตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาของแคโทด ดังนั้นการก่อตัวของชั้นเคลือบที่มีความเสถียรและสมบูรณ์บนพื้นผิวของอนุภาควัสดุแคโทดจึงเป็นทิศทางสำคัญสำหรับการพัฒนาในปัจจุบัน

เอซีย์ พลังงานใหม่เชี่ยวชาญในการจัดหา-โซลูชันครบวงจรสำหรับสายการประกอบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมแบบกึ่ง-อัตโนมัติ/เต็ม-อัตโนมัติที่ใช้ใน ESS, UAV, E-จักรยาน, E-สกู๊ตเตอร์, เครื่องมือไฟฟ้า, รถสองหรือสามล้อ ฯลฯ หากคุณยังใหม่ในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และต้องการสร้างสายการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือลิเธียมไอออนของคุณเองสายการประกอบชุดแบตเตอรี่เราสามารถให้การสนับสนุนและคำแนะนำทางเทคนิคอย่างมืออาชีพแก่คุณได้ โปรดติดต่อเรา!

ติดต่อได้เลย