Σύνοψη των αιτιών διόγκωσης σε μαλακές μπαταρίες ιόντων λιθίου

Σύνοψη των αιτιών διόγκωσης σε μαλακές μπαταρίες ιόντων λιθίου

Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τη διόγκωση των μπαταριών ιόντων λιθίου μαλακής συσκευασίας. Με βάση την εμπειρία πειραματικής έρευνας και ανάπτυξης, ο συγγραφέας χωρίζει τις αιτίες της διόγκωσης της μπαταρίας λιθίου σε τρεις κατηγορίες: πρώτον, η αύξηση του πάχους που προκαλείται από τη διαστολή του ηλεκτροδίου της μπαταρίας κατά τη διάρκεια της ποδηλασίας. Το δεύτερο είναι η διόγκωση που προκαλείται από την οξείδωση και την αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη για την παραγωγή αερίου. Το τρίτο είναι η διόγκωση που προκαλείται από ελαττώματα της διαδικασίας, όπως υγρασία και κατεστραμμένες γωνίες λόγω χαλαρής συσκευασίας της μπαταρίας. Σε διαφορετικά συστήματα μπαταριών, ο κυρίαρχος παράγοντας για τις αλλαγές στο πάχος της μπαταρίας είναι διαφορετικός. Για παράδειγμα, σε συστήματα αρνητικών ηλεκτροδίων τιτανικού λιθίου, ο κύριος παράγοντας διόγκωσης είναι το τύμπανο αερίου. Στο σύστημα αρνητικών ηλεκτροδίων γραφίτη, το πάχος της πλάκας του ηλεκτροδίου και η παραγωγή αερίου προάγουν τη διόγκωση της μπαταρίας.

1, Αλλαγή στο πάχος της πλάκας ηλεκτροδίου

Συζήτηση σχετικά με τους παράγοντες και τους μηχανισμούς που επηρεάζουν τη διαστολή του αρνητικού ηλεκτροδίου γραφίτη

Η αύξηση του πάχους της κυψέλης κατά τη διαδικασία φόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου αποδίδεται κυρίως στη διαστολή του αρνητικού ηλεκτροδίου. Ο ρυθμός διαστολής του θετικού ηλεκτροδίου είναι μόνο 2-4%, και το αρνητικό ηλεκτρόδιο συνήθως αποτελείται από γραφίτη, κόλλα και αγώγιμο άνθρακα. Ο ρυθμός διαστολής του ίδιου του υλικού γραφίτη φτάνει το~10%, και οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την αλλαγή στο ρυθμό διαστολής του αρνητικού ηλεκτροδίου γραφίτη περιλαμβάνουν: σχηματισμό φιλμ SEI, κατάσταση φόρτισης (SOC), παραμέτρους διεργασίας και άλλους παράγοντες επιρροής.

(1) Κατά τη διάρκεια της πρώτης διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου που σχηματίζονται από φιλμ SEI, ο ηλεκτρολύτης υφίσταται αντίδραση αναγωγής στη διεπιφάνεια στερεού-υγρού σωματιδίων γραφίτη, σχηματίζοντας ένα στρώμα παθητικοποίησης (φίλμ SEI) που καλύπτει την επιφάνεια του ηλεκτροδίου υλικό. Ο σχηματισμός του φιλμ SEI αυξάνει σημαντικά το πάχος της ανόδου και λόγω του σχηματισμού του φιλμ SEI, το πάχος της κυψέλης αυξάνεται κατά περίπου 4%. Από την άποψη της μακροπρόθεσμης διαδικασίας ανακύκλωσης, ανάλογα με τη φυσική δομή και την ειδική επιφάνεια του διαφορετικού γραφίτη, η διαδικασία ανακύκλωσης θα έχει ως αποτέλεσμα τη διάλυση του SEI και τη δυναμική διαδικασία της νέας παραγωγής SEI, όπως ο νιφάδας γραφίτης που έχει μεγαλύτερη διαστολή ρυθμός από τον σφαιρικό γραφίτη.

(2) Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανακύκλωσης του στοιχείου μπαταρίας φορτισμένης κατάστασης, η επέκταση όγκου της ανόδου γραφίτη παρουσιάζει μια καλή περιοδική λειτουργική σχέση με το SOC του στοιχείου μπαταρίας. Δηλαδή, καθώς τα ιόντα λιθίου συνεχίζουν να ενσωματώνονται στον γραφίτη (με αύξηση του SOC της κυψέλης της μπαταρίας), ο όγκος σταδιακά επεκτείνεται. Καθώς τα ιόντα λιθίου αποσπώνται από την άνοδο γραφίτη, το SOC της κυψέλης της μπαταρίας μειώνεται σταδιακά και ο αντίστοιχος όγκος της ανόδου γραφίτη μειώνεται σταδιακά.

(3) Από την άποψη των παραμέτρων διεργασίας, η πυκνότητα συμπίεσης έχει σημαντικό αντίκτυπο στην άνοδο γραφίτη. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψυχρής συμπίεσης του ηλεκτροδίου, δημιουργείται μια μεγάλη θλιπτική τάση στο στρώμα μεμβράνης ανόδου γραφίτη, το οποίο είναι δύσκολο να απελευθερωθεί πλήρως στο επακόλουθο ψήσιμο σε υψηλή θερμοκρασία και άλλες διεργασίες του ηλεκτροδίου. Όταν η κυψέλη της μπαταρίας υφίσταται κυκλική φόρτιση και εκφόρτιση, λόγω των συνδυασμένων επιπτώσεων πολλαπλών παραγόντων, όπως η εισαγωγή και η αποκόλληση ιόντων λιθίου, η διόγκωση ηλεκτρολύτη στην κόλλα, η τάση της μεμβράνης απελευθερώνεται κατά τη διαδικασία ανακύκλωσης και ο ρυθμός διαστολής αυξάνεται. Από την άλλη πλευρά, η πυκνότητα συμπίεσης καθορίζει την χωρητικότητα πόρων του στρώματος μεμβράνης ανόδου. Η χωρητικότητα πόρων στο στρώμα μεμβράνης είναι μεγάλη, η οποία μπορεί να απορροφήσει αποτελεσματικά τον όγκο της διαστολής του ηλεκτροδίου. Η χωρητικότητα πόρων είναι μικρή και όταν συμβαίνει η διαστολή του ηλεκτροδίου, δεν υπάρχει αρκετός χώρος για να απορροφήσει τον όγκο που δημιουργείται από τη διαστολή. Αυτή τη στιγμή, η διαστολή μπορεί να επεκταθεί μόνο προς το εξωτερικό του στρώματος φιλμ, που εκδηλώνεται ως η επέκταση όγκου του φιλμ ανόδου.

(4) Άλλοι παράγοντες όπως η ισχύς συγκόλλησης της κόλλας (κόλλα, σωματίδια γραφίτη, αγώγιμος άνθρακας και η ισχύς σύνδεσης της διεπαφής μεταξύ του συλλέκτη και του ρευστού), ο ρυθμός εκφόρτισης, η ικανότητα διόγκωσης της κόλλας και του ηλεκτρολύτη , το σχήμα και η πυκνότητα στοίβαξης των σωματιδίων γραφίτη και η αύξηση του όγκου του ηλεκτροδίου που προκαλείται από την αστοχία της κόλλας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κυκλοποίησης έχουν όλα έναν ορισμένο βαθμό επίδρασης στη διαστολή της ανόδου.

Υπολογισμός του ρυθμού επέκτασης:

Για τον υπολογισμό του ρυθμού διαστολής, χρησιμοποιήστε τη μέθοδο anime για να μετρήσετε το μέγεθος της πλάκας ανόδου στις κατευθύνσεις X και Y, χρησιμοποιήστε μικρόμετρο για να μετρήσετε το πάχος στην κατεύθυνση Z και μετρήστε ξεχωριστά μετά την πλήρη φόρτιση της πλάκας σφράγισης και του ηλεκτρικού πυρήνα.

                                               Σχήμα 1 Σχηματικό διάγραμμα μέτρησης πλάκας ανόδου

Η επίδραση της πυκνότητας συμπίεσης και της ποιότητας επίστρωσης στην αρνητική διαστολή ηλεκτροδίων

Χρησιμοποιώντας την πυκνότητα συμπίεσης και την ποιότητα επικάλυψης ως παράγοντες, λήφθηκαν τρία διαφορετικά επίπεδα για έναν ορθογώνιο πειραματικό σχεδιασμό πλήρους συντελεστή (όπως φαίνεται στον Πίνακα 1), με άλλες συνθήκες να είναι ίδιες για κάθε ομάδα.

Όπως φαίνεται στα Σχήματα 2 (α) και (β), μετά την πλήρη φόρτιση του στοιχείου μπαταρίας, ο ρυθμός διαστολής του φύλλου ανόδου στην κατεύθυνση Χ/Υ/Ζ αυξάνεται με την αύξηση της πυκνότητας συμπίεσης. Όταν η πυκνότητα συμπίεσης αυξάνεται από 1,5 g/cm3 σε 1,7 g/cm3, ο ρυθμός διαστολής στην κατεύθυνση Χ/Υ αυξάνεται από 0,7% σε 1,3%, και ο ρυθμός διαστολής στην κατεύθυνση Ζ αυξάνεται από 13% σε 18%. Από το Σχήμα 2 (α), μπορεί να φανεί ότι κάτω από διαφορετικές πυκνότητες συμπύκνωσης, ο ρυθμός διαστολής στην κατεύθυνση Χ είναι μεγαλύτερος από εκείνον στην κατεύθυνση Υ. Ο κύριος λόγος για αυτό το φαινόμενο προκαλείται από τη διαδικασία ψυχρής συμπίεσης της πολικής πλάκας. Κατά τη διαδικασία ψυχρής συμπίεσης, όταν η πολική πλάκα διέρχεται από τον κύλινδρο πίεσης, σύμφωνα με το νόμο της ελάχιστης αντίστασης, όταν το υλικό υπόκειται σε εξωτερικές δυνάμεις, τα σωματίδια υλικού θα ρέουν κατά την κατεύθυνση της ελάχιστης αντίστασης

                           Σχήμα 2 Ρυθμός διαστολής ανοδίων σε διαφορετικές κατευθύνσεις

Όταν η πλάκα ανόδου είναι ψυχρής πίεσης, η κατεύθυνση με τη χαμηλότερη αντίσταση είναι στην κατεύθυνση MD (κατεύθυνση Υ της πλάκας ηλεκτροδίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3). Η τάση απελευθερώνεται ευκολότερα στην κατεύθυνση MD, ενώ η κατεύθυνση TD (κατεύθυνση Χ της πλάκας ηλεκτροδίου) έχει μεγαλύτερη αντίσταση, καθιστώντας δύσκολη την απελευθέρωση της τάσης κατά τη διαδικασία κύλισης. Η τάση στην κατεύθυνση TD είναι μεγαλύτερη από αυτή στην κατεύθυνση MD. Επομένως, μετά την πλήρη φόρτιση του φύλλου ηλεκτροδίου, ο ρυθμός διαστολής προς την κατεύθυνση Χ είναι μεγαλύτερος από εκείνον προς την κατεύθυνση Υ. Από την άλλη πλευρά, η πυκνότητα συμπίεσης αυξάνεται και η χωρητικότητα πόρων του φύλλου ηλεκτροδίου μειώνεται (όπως φαίνεται στο Σχήμα 4). Κατά τη φόρτιση, δεν υπάρχει αρκετός χώρος μέσα στο στρώμα μεμβράνης ανόδου για να απορροφήσει τον όγκο της διαστολής του γραφίτη και η εξωτερική εκδήλωση είναι ότι το φύλλο ηλεκτροδίου διαστέλλεται στις διευθύνσεις Χ, Υ και Ζ ως σύνολο. Από τα σχήματα 2 (γ) και (δ), φαίνεται ότι η ποιότητα επίστρωσης αυξήθηκε από 0,140 g/1540,25 mm2 σε 0,190 g/1540,25 mm2, ο ρυθμός διαστολής στην κατεύθυνση Χ αυξήθηκε από 0,84% σε 1,15% και το Ο ρυθμός επέκτασης προς την κατεύθυνση Υ αυξήθηκε από 0,89% σε 1,05%. Η τάση του ρυθμού επέκτασης προς την κατεύθυνση Ζ είναι αντίθετη με αυτή στην κατεύθυνση Χ/Υ, παρουσιάζοντας πτωτική τάση, από 16,02% σε 13,77%. Η διαστολή της ανόδου γραφίτη παρουσιάζει ένα κυμαινόμενο μοτίβο στις κατευθύνσεις Χ, Υ και Ζ και η αλλαγή στην ποιότητα της επίστρωσης αντανακλάται κυρίως στη σημαντική αλλαγή στο πάχος του φιλμ. Το παραπάνω μοτίβο διακύμανσης ανόδου είναι συνεπές με τα αποτελέσματα της βιβλιογραφίας, δηλαδή, όσο μικρότερη είναι η αναλογία του πάχους του συλλέκτη προς το πάχος του φιλμ, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση στον συλλέκτη.

                       Σχήμα 3 Σχηματικό διάγραμμα διαδικασίας ψυχρής συμπίεσης ανόδου

                     Σχήμα 4 Αλλαγές στο κενό κλάσμα κάτω από διαφορετικές πυκνότητες συμπύκνωσης

Η επίδραση του πάχους του φύλλου χαλκού στην διαστολή του αρνητικού ηλεκτροδίου

Επιλέξτε δύο παράγοντες που επηρεάζουν, το πάχος του φύλλου χαλκού και την ποιότητα της επίστρωσης, με επίπεδα πάχους φύλλου χαλκού 6 και 8 μ m αντίστοιχα. Οι μάζες επικάλυψης ανόδου ήταν 0,140 g/1, 540,25 mm2 και 0,190 g/1, 540,25 mm2, αντίστοιχα. Η πυκνότητα συμπίεσης ήταν 1,6 g/cm3 και οι άλλες συνθήκες ήταν οι ίδιες για κάθε ομάδα πειραμάτων. Τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνονται στο σχήμα 5. Από τα σχήματα 5 (α) και (γ), φαίνεται ότι κάτω από δύο διαφορετικές ποιότητες επίστρωσης, στην κατεύθυνση Χ/Υ 8 μ Ο ρυθμός διαστολής του φύλλου ανόδου m φύλλου χαλκού είναι μικρότερος από 6 μ m. Η αύξηση του πάχους του φύλλου χαλκού οδηγεί σε αύξηση του συντελεστή ελαστικότητας του (βλ. Εικόνα 6), που ενισχύει την αντίστασή του στην παραμόρφωση και ενισχύει τον περιορισμό του στη διαστολή της ανόδου, με αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διαστολής. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, με την ίδια ποιότητα επίστρωσης, καθώς αυξάνεται το πάχος του φύλλου χαλκού, η αναλογία του πάχους του συλλέκτη προς το πάχος του φιλμ αυξάνεται, η τάση στον συλλέκτη μειώνεται και ο ρυθμός διαστολής του ηλεκτροδίου μειώνεται. Στην κατεύθυνση Z, η τάση αλλαγής του ρυθμού επέκτασης είναι εντελώς αντίθετη. Από το Σχήμα 5 (β), μπορεί να φανεί ότι καθώς το πάχος του φύλλου χαλκού αυξάνεται, ο ρυθμός διαστολής αυξάνεται. Από τη σύγκριση των σχημάτων 5 (β) και (δ), μπορεί να φανεί ότι όταν η ποιότητα επίστρωσης αυξάνεται από 0,140 g/1 και 540,25 mm2 σε 0,190 g/1540,25 mm2, το πάχος του φύλλου χαλκού αυξάνεται και ο ρυθμός διαστολής μειώνεται. Η αύξηση του πάχους του φύλλου χαλκού, αν και είναι ευεργετική για τη μείωση της δικής του τάσης (υψηλής αντοχής), θα αυξήσει την τάση στο στρώμα του φιλμ, οδηγώντας σε αύξηση του ρυθμού διαστολής με κατεύθυνση Z, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5 (β). Καθώς αυξάνεται η ποιότητα της επίστρωσης, αν και το παχύ φύλλο χαλκού έχει μια προαγωγική επίδραση στην αύξηση της τάσης του στρώματος μεμβράνης, ενισχύει επίσης την ικανότητα σύνδεσης του στρώματος μεμβράνης. Αυτή τη στιγμή, η δύναμη δέσμευσης γίνεται πιο εμφανής και ο ρυθμός διαστολής της κατεύθυνσης Z μειώνεται.

Σχήμα 5 Αλλαγές στον ρυθμό διαστολής του φιλμ των ανοδίων με διαφορετικό πάχος φύλλου χαλκού και ποιότητα επίστρωσης

                        Σχήμα 6 Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης φύλλου χαλκού με διαφορετικά πάχη

Η επίδραση του τύπου γραφίτη στη διαστολή του αρνητικού ηλεκτροδίου

Για το πείραμα χρησιμοποιήθηκαν πέντε διαφορετικοί τύποι γραφίτη (βλ. Πίνακα 2), με μάζα επικάλυψης 0,165 g/1540,25 mm2, πυκνότητα συμπίεσης 1,6 g/cm3 και πάχος φύλλου χαλκού 8 μ m. Άλλες συνθήκες είναι οι ίδιες και τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνονται στο Σχήμα 7. Από το Σχήμα 7 (α), μπορεί να φανεί ότι υπάρχουν σημαντικές διαφορές στους ρυθμούς διαστολής διαφορετικών γραφιτών στην κατεύθυνση Χ/Υ, με ελάχιστο 0,27% και μέγιστο 1,14%. Οι ρυθμοί επέκτασης προς την κατεύθυνση Ζ είναι 15,44% και 17,47%, αντίστοιχα. Εκείνα με μεγάλη διαστολή προς την κατεύθυνση Χ/Υ έχουν μικρή διαστολή στην κατεύθυνση Ζ, η οποία είναι συνεπής με τα αποτελέσματα που αναλύονται στην Ενότητα 2.2. Τα κύτταρα που χρησιμοποιούσαν γραφίτη Α-1 εμφάνισαν σοβαρή παραμόρφωση με ρυθμό παραμόρφωσης 20%, ενώ οι άλλες ομάδες κυττάρων δεν παρουσίασαν παραμόρφωση, υποδεικνύοντας ότι το μέγεθος του ρυθμού διαστολής Χ/Υ έχει σημαντικό αντίκτυπο στην παραμόρφωση των κυττάρων.

                            Εικόνα 7 Διαφορετικοί ρυθμοί διαστολής γραφίτη

συμπέρασμα

(1) Η αύξηση της πυκνότητας συμπίεσης αυξάνει τον ρυθμό διαστολής του φύλλου ανόδου στις κατευθύνσεις Χ/Υ και Ζ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πλήρους πλήρωσης και ο ρυθμός διαστολής στην κατεύθυνση Χ είναι μεγαλύτερος από αυτόν στην κατεύθυνση Υ (η διεύθυνση Χ είναι η κατεύθυνση του άξονα του κυλίνδρου κατά τη διαδικασία ψυχρής συμπίεσης του φύλλου ανόδου και η κατεύθυνση Υ είναι η κατεύθυνση του ιμάντα της μηχανής).

(2) Αυξάνοντας την ποιότητα της επίστρωσης, ο ρυθμός διαστολής στην κατεύθυνση Χ/Υ τείνει να αυξάνεται, ενώ ο ρυθμός διαστολής στην κατεύθυνση Ζ μειώνεται. Η αύξηση της ποιότητας της επίστρωσης θα οδηγήσει σε αύξηση της τάσης εφελκυσμού στη συλλογή του υγρού.

(3) Η βελτίωση της αντοχής του συλλέκτη ρεύματος μπορεί να καταστείλει τη διαστολή της ανόδου προς την κατεύθυνση Χ/Υ.

(4) Διαφορετικοί τύποι γραφίτη έχουν σημαντικές διαφορές στους ρυθμούς διαστολής στις κατευθύνσεις Χ/Υ και Ζ, με το μέγεθος διαστολής στην κατεύθυνση Χ/Υ να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην παραμόρφωση των κυττάρων.

2, Διόγκωση που προκαλείται από την παραγωγή αερίου μπαταρίας

Η εσωτερική παραγωγή αερίου των μπαταριών είναι ένας άλλος σημαντικός λόγος για τη διόγκωση της μπαταρίας, είτε κατά τη διάρκεια της ανακύκλωσης σε θερμοκρασία δωματίου, της ανακύκλωσης σε υψηλή θερμοκρασία ή της αποθήκευσης σε υψηλή θερμοκρασία, θα παράγει διάφορους βαθμούς παραγωγής διογκωμένου αερίου. Κατά τη διάρκεια της αρχικής διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας, ένα φιλμ SEI (Solid Electrolyte Interface) θα σχηματιστεί στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Ο σχηματισμός αρνητικού φιλμ SEI προέρχεται κυρίως από την αναγωγή και αποσύνθεση του EC (ανθρακικό αιθυλένιο). Μαζί με την παραγωγή αλκυλολιθίου και Li2CO3, παράγεται μεγάλη ποσότητα CO και C2H4. Το DMC (ανθρακικός διμεθυλεστέρας) και το EMC (ανθρακικός μεθυλεστέρας) σε διαλύτες σχηματίζουν επίσης RLiCO3 και ROLi κατά τη διαδικασία σχηματισμού φιλμ, που συνοδεύεται από την παραγωγή αερίων όπως CH4, C2H6 και C3H8, καθώς και αερίων CO. Σε ηλεκτρολύτες με βάση το ανθρακικό προπυλένιο, η παραγωγή αερίου είναι σχετικά υψηλή, κυρίως αέριο C3H8 που παράγεται από αναγωγή PC. Οι μπαταρίες μαλακής συσκευασίας φωσφορικού σιδήρου λιθίου παρουσιάζουν το πιο σοβαρό φούσκωμα μετά τη φόρτιση στους 0,1 C κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου. Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, ο σχηματισμός του ΣΕΗ συνοδεύεται από την παραγωγή μεγάλης ποσότητας αερίου, η οποία είναι μια αναπόφευκτη διαδικασία. Η παρουσία H2O σε ακαθαρσίες θα προκαλέσει τον δεσμό P-F στο LiPF6 να γίνει ασταθής, δημιουργώντας HF, το οποίο θα οδηγήσει σε αστάθεια αυτού του συστήματος μπαταρίας και στην παραγωγή αερίου. Η παρουσία υπερβολικού H2O θα καταναλώσει Li+ και θα δημιουργήσει LiOH, LiO2 και H2, οδηγώντας στην παραγωγή αερίων. Κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης και των μακροχρόνιων διαδικασιών φόρτισης και εκφόρτισης, μπορεί επίσης να παραχθεί αέριο. Για σφραγισμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου, η παρουσία μεγάλης ποσότητας αερίου μπορεί να προκαλέσει διαστολή της μπαταρίας, επηρεάζοντας έτσι την απόδοσή της και μειώνοντας τη διάρκεια ζωής της. Οι κύριοι λόγοι για την παραγωγή αερίου κατά την αποθήκευση της μπαταρίας είναι οι εξής: (1) Η παρουσία H2O στο σύστημα μπαταρίας μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία HF, προκαλώντας βλάβη στο SEI. Το O2 στο σύστημα μπορεί να προκαλέσει οξείδωση του ηλεκτρολύτη, οδηγώντας στη δημιουργία μεγάλης ποσότητας CO2. (2) Εάν το φιλμ SEI που σχηματίστηκε κατά τον πρώτο σχηματισμό είναι ασταθές, θα προκαλέσει ζημιά στο φιλμ SEI κατά το στάδιο αποθήκευσης και η επισκευή του φιλμ SEI θα απελευθερώσει αέρια που αποτελούνται κυρίως από υδρογονάνθρακες. Κατά τη διάρκεια του μακροχρόνιου κύκλου φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας, η κρυσταλλική δομή του θετικού υλικού αλλάζει, το ανομοιόμορφο δυναμικό σημείου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και άλλοι παράγοντες προκαλούν υπερβολικά υψηλά δυναμικά ορισμένων σημείων, τη σταθερότητα του ηλεκτρολύτη στο ηλεκτρόδιο Η επιφάνεια μειώνεται, η σταθερή πάχυνση της μάσκας προσώπου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου αυξάνει την αντίσταση της διεπαφής του ηλεκτροδίου, βελτιώνοντας περαιτέρω το δυναμικό αντίδρασης, προκαλώντας την αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου να παράγει αέριο και το θετικό υλικό μπορεί επίσης να απελευθερώσει αέριο.

Σε διαφορετικά συστήματα, ο βαθμός φουσκώματος της μπαταρίας ποικίλλει. Στην μπαταρία του συστήματος αρνητικών ηλεκτροδίων γραφίτη, οι κύριοι λόγοι για τη διαστολή αερίου είναι ο σχηματισμός φιλμ SEI, υπερβολική υγρασία στο στοιχείο, μη φυσιολογική διαδικασία σχηματισμού, κακή συσκευασία κ.λπ. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στο σύστημα αρνητικών ηλεκτροδίων τιτανικού λιθίου, η βιομηχανία γενικά πιστεύει ότι η διαστολή αερίου της μπαταρίας Li4Ti5O12 προκαλείται κυρίως από την εύκολη απορρόφηση νερού του υλικού, αλλά δεν υπάρχουν πειστικά στοιχεία που να αποδεικνύουν αυτή την εικασία. Xiong et al. από την Tianjin Lishen Battery Company επεσήμανε στην περίληψη του 15ου Διεθνούς Ηλεκτροχημικού Συνεδρίου ότι η σύνθεση του αερίου περιλαμβάνει CO2, CO, αλκάνια και μια μικρή ποσότητα ολεφινών, αλλά δεν παρείχε υποστήριξη δεδομένων για τη συγκεκριμένη σύνθεση και αναλογία του. Οι Belharouak et al. χρησιμοποίησε ένα όργανο αέριας χρωματογραφίας-φασματομετρίας μάζας για να χαρακτηρίσει την παραγωγή αερίου της μπαταρίας. Το κύριο συστατικό του αερίου είναι το H2, καθώς και τα CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8, C3H6 κ.λπ.

Εικόνα 8 Σύνθεση αερίου μπαταρίας Li4Ti5O12/LiMn2O4 μετά από 5 μήνες ποδηλασίας στους 30, 45 και 60 ℃

Το σύστημα ηλεκτρολυτών που χρησιμοποιείται συνήθως για μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι το LiPF6/EC: EMC, όπου το LiPF6 έχει την ακόλουθη ισορροπία στον ηλεκτρολύτη

Το PF5 είναι ένα ισχυρό οξύ που προκαλεί εύκολα την αποσύνθεση των ανθρακικών αλάτων και η ποσότητα του PF5 αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το PF5 βοηθά στην αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη, παράγοντας αέρια CO2, CO και CxHy. Ο υπολογισμός δείχνει επίσης ότι η αποσύνθεση του EC παράγει αέρια CO και CO2. Τα C2H4 και C3H6 παράγονται από την αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής των C2H6 και C3H8 με Ti4+, αντίστοιχα, ενώ το Ti4+ ανάγεται σε Ti3+. Σύμφωνα με σχετική έρευνα, η παραγωγή Η2 προέρχεται από ίχνη νερού στον ηλεκτρολύτη, αλλά η περιεκτικότητα σε νερό στον ηλεκτρολύτη είναι γενικά 20 × Περίπου 10-6, για την παραγωγή αερίου Η2. Το πείραμα του Wu Kai στο Πανεπιστήμιο Jiao Tong της Σαγκάης επέλεξε τον γραφίτη/NCM111 ως μπαταρία με χαμηλή συμβολή και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η πηγή του H2 είναι η αποσύνθεση ανθρακικού άλατος υπό υψηλή τάση.

3, Μη φυσιολογική διαδικασία που οδηγεί σε παραγωγή και επέκταση αερίου

1. Η κακή συσκευασία έχει μειώσει σημαντικά το ποσοστό των φουσκωμένων κυψελών μπαταρίας που προκαλείται από κακή συσκευασία. Οι λόγοι για κακή σφράγιση κορυφής, πλευρική σφράγιση και απαέρωση τριών πλευρικών συσκευασιών έχουν εισαχθεί προηγουμένως. Η κακή συσκευασία και στις δύο πλευρές θα οδηγήσει στο στοιχείο της μπαταρίας, το οποίο αντιπροσωπεύεται κυρίως από σφράγιση κορυφής και απαέρωση. Η επάνω σφράγιση οφείλεται κυρίως σε κακή σφράγιση στη θέση της γλωττίδας και η απαέρωση οφείλεται κυρίως σε στρωματοποίηση (συμπεριλαμβανομένου του διαχωρισμού του PP από το Al λόγω ηλεκτρολύτη και γέλης). Η κακή συσκευασία προκαλεί την είσοδο υγρασίας στον αέρα στο εσωτερικό της κυψέλης της μπαταρίας, προκαλώντας την αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη και την παραγωγή αερίου.

2. Η επιφάνεια της τσέπης είναι κατεστραμμένη και η κυψέλη της μπαταρίας έχει υποστεί ασυνήθιστη ζημιά ή τεχνητή ζημιά κατά τη διαδικασία έλξης, με αποτέλεσμα να προκληθεί ζημιά στην τσέπη (όπως τρύπες καρφίτσας) και να επιτραπεί η είσοδος νερού στο εσωτερικό της κυψέλης της μπαταρίας.

3. Ζημιά στη γωνία: Λόγω της ειδικής παραμόρφωσης του αλουμινίου στη διπλωμένη γωνία, το τίναγμα του αερόσακου μπορεί να παραμορφώσει τη γωνία και να προκαλέσει ζημιά στο Al (όσο μεγαλύτερη είναι η κυψέλη της μπαταρίας, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αερόσακος, τόσο πιο εύκολο είναι να κατεστραμμένο), χάνοντας την επίδραση φραγμού του στο νερό. Στις γωνίες μπορεί να προστεθεί τσαλακωμένη κόλλα ή κόλλα θερμής τήξης για να ανακουφιστεί το πρόβλημα. Και απαγορεύεται η μετακίνηση των στοιχείων της μπαταρίας με αερόσακους σε κάθε διαδικασία μετά την επάνω σφράγιση και θα πρέπει να δοθεί μεγαλύτερη προσοχή στη μέθοδο λειτουργίας για να αποφευχθεί η ταλάντωση της δεξαμενής κυψελών μπαταρίας στην πλακέτα γήρανσης.

4. Η περιεκτικότητα σε νερό μέσα στο στοιχείο της μπαταρίας υπερβαίνει το πρότυπο. Μόλις η περιεκτικότητα σε νερό υπερβεί το πρότυπο, ο ηλεκτρολύτης θα αποτύχει και θα παράγει αέριο μετά το σχηματισμό ή την απαέρωση. Οι κύριοι λόγοι για την υπερβολική περιεκτικότητα σε νερό στο εσωτερικό της μπαταρίας είναι: η υπερβολική περιεκτικότητα σε νερό στον ηλεκτρολύτη, η υπερβολική περιεκτικότητα σε νερό στη γυμνή κυψέλη μετά το ψήσιμο και η υπερβολική υγρασία στο δωμάτιο στεγνώματος. Εάν υπάρχει υποψία ότι η υπερβολική περιεκτικότητα σε νερό μπορεί να προκαλέσει φούσκωμα, μπορεί να πραγματοποιηθεί μια αναδρομική επιθεώρηση της διαδικασίας.

5. Η διαδικασία σχηματισμού είναι μη φυσιολογική και μια εσφαλμένη διαδικασία σχηματισμού μπορεί να προκαλέσει φούσκωμα του στοιχείου της μπαταρίας.

6. Το φιλμ SEI είναι ασταθές και η λειτουργία εκπομπής της κυψέλης της μπαταρίας είναι ελαφρώς διογκωμένη κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης της δοκιμής χωρητικότητας.

7. Υπερφόρτιση ή αποφόρτιση: Λόγω ανωμαλιών στη διαδικασία, στο μηχάνημα ή στην προστατευτική πλακέτα, τα στοιχεία της μπαταρίας ενδέχεται να υπερφορτιστούν ή να αποφορτιστούν υπερβολικά, με αποτέλεσμα σοβαρές φυσαλίδες αέρα στις κυψέλες της μπαταρίας.

8. Βραχυκύκλωμα: Λόγω λειτουργικών σφαλμάτων, οι δύο γλωττίδες του φορτισμένου στοιχείου μπαταρίας έρχονται σε επαφή και παρουσιάζουν βραχυκύκλωμα. Το στοιχείο της μπαταρίας θα παρουσιάσει έκρηξη αερίου και η τάση θα μειωθεί γρήγορα, με αποτέλεσμα οι γλωττίδες να καούν μαύρα.

9. Εσωτερικό βραχυκύκλωμα: Το εσωτερικό βραχυκύκλωμα μεταξύ του θετικού και του αρνητικού πόλου του στοιχείου μπαταρίας προκαλεί ταχεία εκφόρτιση και θέρμανση του στοιχείου της μπαταρίας, καθώς και έντονη διόγκωση αερίου. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για εσωτερικά βραχυκυκλώματα: προβλήματα σχεδιασμού. Συρρίκνωση, κύρτωμα ή φθορά του φιλμ απομόνωσης. κακή ευθυγράμμιση των δύο κυττάρων. Γρεζίνια που τρυπούν τη μεμβράνη απομόνωσης. Υπερβολική πίεση στο εξάρτημα. Υπερβολικό συμπίεση της μηχανής σιδερώματος άκρων, κ.λπ. Για παράδειγμα, στο παρελθόν, λόγω ανεπαρκούς πλάτους, η μηχανή σιδερώματος άκρων πίεζε υπερβολικά την οντότητα της μπαταρίας, με αποτέλεσμα βραχυκύκλωμα και φούσκωμα της καθόδου και της ανόδου.

10. Διάβρωση: Το στοιχείο της μπαταρίας υφίσταται διάβρωση και το στρώμα αλουμινίου καταναλώνεται από την αντίδραση, χάνοντας το φράγμα του στο νερό και προκαλώντας διαστολή αερίου.

11. Μη φυσιολογική άντληση κενού, που προκαλείται από λόγους συστήματος ή μηχανής. Η απαέρωση δεν είναι ενδελεχής. Η ζώνη θερμικής ακτινοβολίας του Vacuum Sealing είναι πολύ μεγάλη, με αποτέλεσμα η ξιφολόγχη αναρρόφησης Degassing να μην τρυπάει αποτελεσματικά τη σακούλα Pocket, με αποτέλεσμα την ακάθαρτη αναρρόφηση.

Μέτρα για την καταστολή της μη φυσιολογικής παραγωγής αερίου

4. Η καταστολή της μη φυσιολογικής παραγωγής αερίου απαιτεί εκκίνηση τόσο από τις διαδικασίες σχεδιασμού υλικών όσο και από τις διαδικασίες κατασκευής.

Πρώτον, είναι απαραίτητο να σχεδιαστεί και να βελτιστοποιηθεί το σύστημα υλικού και ηλεκτρολυτών για να διασφαλιστεί ο σχηματισμός μιας πυκνής και σταθερής μεμβράνης SEI, να βελτιωθεί η σταθερότητα του υλικού του θετικού ηλεκτροδίου και να κατασταλεί η εμφάνιση μη φυσιολογικής παραγωγής αερίου.

Για την επεξεργασία ηλεκτρολυτών, η μέθοδος προσθήκης μικρής ποσότητας πρόσθετων που σχηματίζουν φιλμ χρησιμοποιείται συχνά για να κάνει το φιλμ SEI πιο ομοιόμορφο και πυκνό, μειώνοντας την αποκόλληση του φιλμ SEI κατά τη χρήση και την παραγωγή αερίου κατά την αναγέννηση, γεγονός που οδηγεί σε μπαταρία διόγκωση. Σχετική έρευνα έχει αναφερθεί και εφαρμοστεί στην πράξη, όπως ο Cheng Su από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Harbin, ο οποίος ανέφερε ότι η χρήση του πρόσθετου VC που σχηματίζει φιλμ μπορεί να μειώσει τη διόγκωση της μπαταρίας. Ωστόσο, η έρευνα έχει επικεντρωθεί κυρίως σε πρόσθετα ενός συστατικού, με περιορισμένη αποτελεσματικότητα. Ο Cao Changhe και άλλοι από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Ανατολικής Κίνας χρησιμοποίησαν το σύνθετο VC και PS ως νέο πρόσθετο που σχηματίζει φιλμ ηλεκτρολύτη, επιτυγχάνοντας καλά αποτελέσματα. Η παραγωγή αερίου της μπαταρίας μειώθηκε σημαντικά κατά την αποθήκευση σε υψηλές θερμοκρασίες και την ποδηλασία. Η έρευνα έχει δείξει ότι τα συστατικά της μεμβράνης SEI που σχηματίζονται από τα EC και VC είναι γραμμικό ανθρακικό αλκυλολίθιο. Σε υψηλές θερμοκρασίες, το ανθρακικό αλκυλολίθιο που συνδέεται με το LiC είναι ασταθές και αποσυντίθεται σε αέρια όπως το CO2, με αποτέλεσμα τη διόγκωση της μπαταρίας. Το φιλμ SEI που σχηματίζεται από το PS είναι αλκυλοσουλφονικό λίθιο. Αν και η μεμβράνη έχει ελαττώματα, έχει μια ορισμένη δισδιάστατη δομή και εξακολουθεί να είναι σχετικά σταθερή όταν συνδέεται με LiC σε υψηλές θερμοκρασίες. Όταν το VC και το PS χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό, το PS σχηματίζει μια ελαττωματική δισδιάστατη δομή στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου σε χαμηλή τάση. Καθώς η τάση αυξάνεται, το VC σχηματίζει μια γραμμική δομή ανθρακικού αλκυλολιθίου στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου. Το ανθρακικό αλκυλικό λίθιο γεμίζει στα ελαττώματα της δισδιάστατης δομής, σχηματίζοντας ένα σταθερό φιλμ SEI με μια δομή δικτύου προσαρτημένη στο LiC. Η μεμβράνη SEI με αυτή τη δομή βελτιώνει σημαντικά τη σταθερότητά της και μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά την παραγωγή αερίου που προκαλείται από την αποσύνθεση της μεμβράνης.

Επιπλέον, λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του θετικού ηλεκτροδίου υλικού οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου και του ηλεκτρολύτη, τα προϊόντα αποσύνθεσής του θα καταλύσουν την αποσύνθεση του διαλύτη στον ηλεκτρολύτη. Επομένως, η επιφανειακή επίστρωση του υλικού θετικού ηλεκτροδίου μπορεί όχι μόνο να αυξήσει τη δομική σταθερότητα του υλικού, αλλά και να μειώσει την επαφή μεταξύ του θετικού ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη, μειώνοντας το αέριο που παράγεται από την καταλυτική αποσύνθεση του ενεργού θετικού ηλεκτροδίου. Ως εκ τούτου, ο σχηματισμός ενός σταθερού και πλήρους στρώματος επικάλυψης στην επιφάνεια των σωματιδίων υλικού θετικού ηλεκτροδίου είναι επίσης μια σημαντική κατεύθυνση ανάπτυξης επί του παρόντος.