Analisis penyebab pembengkakan bateri lithium-ion

Bateri ion litium banyak digunakan kerana jangka hayat dan kapasiti yang tinggi. Namun, dengan perpanjangan waktu penggunaan, masalah pembengkakan, prestasi keselamatan yang tidak memuaskan dan pelemahan kitaran yang dipercepat menjadi semakin serius, yang telah menyebabkan analisis dan penekanan yang mendalam dalam industri bateri litium. kajiannya. Berdasarkan kajian eksperimental dan pengalaman pengembangan, penulis membahagikan penyebab pembengkakan bateri lithium kepada dua kategori, salah satunya adalah pembengkakan yang disebabkan oleh perubahan ketebalan bahagian tiang bateri; yang lain adalah pembengkakan yang disebabkan oleh pengoksidaan dan penguraian elektrolit untuk menghasilkan gas. Dalam sistem bateri yang berbeza, faktor utama perubahan ketebalan bateri berbeza. Sebagai contoh, dalam bateri sistem anoda lithium titanate, faktor utama pembengkakan adalah pembengkakan udara; dalam sistem anod grafit, ketebalan bahagian tiang dan pengeluaran gas mempengaruhi pembengkakan bateri. Main peranan promosi.

1. Perubahan ketebalan kepingan tiang elektrod

Semasa penggunaan bateri litium, ketebalan kepingan tiang elektrod akan berubah ke tahap tertentu, terutamanya elektrod negatif grafit. Menurut data yang ada, bateri litium cenderung bengkak setelah penyimpanan dan peredaran suhu tinggi, dan kadar pertumbuhan ketebalan sekitar 6% hingga 20%. Kadar pengembangan elektrod positif hanya 4%, dan kadar pengembangan elektrod negatif lebih daripada 20%. Sebab asas pembengkakan disebabkan oleh peningkatan ketebalan bahagian tiang bateri litium adalah inti dari grafit. Grafit elektrod negatif membentuk LiCx (LiC24, LiC12 dan LiC6, dan lain-lain) ketika litium dimasukkan, dan jarak kisi berubah, mengakibatkan pembentukan tekanan dalaman mikroskopik, menyebabkan elektrod negatif menghasilkan Bengkak. Gambar di bawah adalah gambarajah skematik perubahan struktur sekeping tiang negatif grafit semasa penempatan, pengisian dan pengosongan.

Pengembangan elektrod negatif grafit disebabkan terutamanya oleh pengembangan yang tidak dapat dipulihkan selepas kemasukan litium. Bahagian pengembangan ini terutamanya berkaitan dengan ukuran zarah, pelekat dan struktur potongan tiang. Pengembangan elektrod negatif menyebabkan inti berubah bentuk, membentuk rongga antara elektrod dan diafragma, membentuk retakan mikro pada zarah elektrod negatif, memecah dan menyusun semula membran antara muka elektrolit pepejal (SEI), memakan elektrolit, dan merosot prestasi kitaran. Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi ketebalan sekeping tiang negatif. Sifat pelekat dan parameter struktur bahagian tiang adalah dua yang paling penting.

Perekat yang biasa digunakan untuk elektrod negatif grafit adalah SBR. Pelekat yang berbeza mempunyai modulus elastik dan kekuatan mekanikal yang berbeza, dan mempunyai kesan yang berbeza pada ketebalan potongan tiang. Daya bergolek setelah bahagian tiang dilapisi juga mempengaruhi ketebalan sekeping tiang negatif dalam penggunaan bateri. Di bawah tekanan yang sama, semakin besar modulus elastik pelekat, semakin kecil pantulan potongan tiang dari penempatan fizikal; semasa mengecas, kisi grafit mengembang kerana penyisipan Li +; pada masa yang sama, kerana ubah bentuk zarah elektrod negatif dan SBR, tekanan dalamannya sepenuhnya dilepaskan, membuat kadar pengembangan elektrod negatif meningkat dengan mendadak, SBR berada di tahap ubah bentuk plastik. Bahagian kadar pengembangan ini berkaitan dengan modulus elastik dan kekuatan putus SBR, sehingga semakin besar modulus elastik dan kekuatan putus SBR, semakin kecil pengembangan yang tidak dapat dipulihkan.

Apabila jumlah penambahan SBR tidak konsisten, tekanan pada tiang tiang semasa bergolek akan berbeza. Tekanan yang berbeza menyebabkan perbezaan tertentu dalam tekanan sisa yang dihasilkan oleh bahagian tiang. Semakin besar tekanan, semakin besar tekanan sisa, yang membawa kepada pengembangan penyimpanan fizikal, keadaan elektrik penuh dan Kadar pengembangan keadaan elektrik kosong meningkat; semakin rendah kandungan SBR, semakin rendah tekanan semasa bergolek, semakin kecil kadar pengembangan penyimpanan fizikal, keadaan elektrik penuh dan keadaan elektrik kosong pada peringkat awal; pengembangan elektrod negatif menyebabkan teras berubah bentuk dan mempengaruhi elektrod negatif Tahap penyisipan litium dan kadar resapan Li + mempunyai kesan serius terhadap prestasi kitaran bateri.

2. Kembung disebabkan oleh pengeluaran gas bateri

Gas yang dihasilkan di dalam bateri adalah penyebab pentingnya pembengkakan bateri. Sama ada bateri disimpan pada suhu bilik, kitaran suhu tinggi, atau suhu tinggi, ia akan menghasilkan tahap pembengkakan dan pengeluaran gas yang berbeza. Menurut hasil penyelidikan semasa, inti dari kembung sel disebabkan oleh penguraian elektrolit. Terdapat dua kes penguraian elektrolit. Salah satunya ialah terdapat kekotoran dalam elektrolit, seperti kekotoran kelembapan dan logam, yang menyebabkan elektrolit terurai dan menghasilkan gas. Yang lain ialah tetingkap elektrokimia elektrolit terlalu rendah, yang menyebabkan penguraian semasa proses pengisian. Pelarut seperti EC, DEC, dan lain-lain akan menghasilkan radikal bebas setelah mendapat elektron. Akibat langsung dari tindak balas radikal bebas adalah penghasilan hidrokarbon, ester, eter dan CO2 yang mendidih rendah.

Setelah bateri lithium dipasang, sejumlah kecil gas akan dihasilkan semasa proses pra-pembentukan. Gas-gas ini tidak dapat dielakkan dan juga merupakan sumber kehilangan bateri yang tidak dapat dipulihkan. Semasa proses pengisian dan pelepasan pertama, setelah elektron mencapai elektrod negatif dari litar luaran, mereka akan mengalami reaksi pengurangan oksidasi dengan elektrolit pada permukaan elektrod negatif untuk menghasilkan gas. Semasa proses ini, SEI terbentuk di permukaan elektrod negatif grafit. Apabila ketebalan SEI meningkat, elektron tidak dapat menembusi dan menghalang pengoksidaan dan penguraian elektrolit yang berterusan. Untuk pembentukan SEI, lihat artikel: Barang Kering|Apa itu SEI? Begitu banyak kesan pada bateri litium! Semasa penggunaan bateri, pengeluaran gas dalaman akan meningkat secara beransur-ansur. Sebabnya ialah terdapat kekotoran elektrolit atau kelembapan berlebihan pada bateri. Kekotoran dalam elektrolit perlu dikeluarkan dengan teliti. Pengendalian kelembapan yang tidak mencukupi mungkin disebabkan oleh elektrolit itu sendiri, pembungkusan bateri yang tidak betul, pengenalan kelembapan, dan kerosakan sudut. Selain itu, bateri' overcharge, overdischarge, penyalahgunaan, dan litar pintas dalaman juga akan mempercepat kelajuan pengeluaran gas' menyebabkan kegagalan bateri.

Dalam sistem yang berbeza, tahap pembengkakan bateri berbeza. Dalam bateri sistem anod grafit, penyebab utama pembengkakan gas adalah pembentukan filem SEI yang disebutkan di atas, kelembapan berlebihan di dalam sel, proses penukaran kimia yang tidak normal, pembungkusan yang buruk, dan lain-lain, sementara dalam sistem lithium titanate anode, perut kembung lebih daripada grafit / Sistem bateri NCM jauh lebih serius. Sebagai tambahan kepada kekotoran, kelembapan dan proses dalam elektrolit, alasan lain yang berbeza dari anod grafit adalah kerana litium titanate tidak dapat membentuk filem SEI di permukaannya seperti bateri sistem anod grafit untuk menghalang tindak balas elektrolitnya. Semasa proses pengisian dan pengosongan, elektrolit selalu bersentuhan langsung dengan permukaan Li4Ti5O12, mengakibatkan pengurangan dan penguraian elektrik yang berterusan di permukaan bahan Li4Ti5O12, yang mungkin merupakan punca kembung bateri Li4Ti5O12. Komponen utama gas adalah H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8 dan sebagainya. Apabila lithium titanate direndam dalam elektrolit sahaja, hanya CO2 yang dihasilkan. Setelah dijadikan bateri dengan bahan NCM, gas yang dihasilkan merangkumi H2, CO2, CO dan sejumlah kecil hidrokarbon gas. Semasa mengecas dan melepaskan, H2 dihasilkan, dan kandungan H2 dalam gas yang dihasilkan pada masa yang sama melebihi 50%. Ini menunjukkan bahawa gas H2 dan CO akan dihasilkan semasa proses pengisian dan pengosongan.

LiPF6 mempunyai keseimbangan berikut dalam elektrolit:

PF5 adalah asid kuat, yang dengan mudah menyebabkan penguraian karbonat, dan jumlah PF5 meningkat dengan peningkatan suhu. PF5 membantu elektrolit terurai untuk menghasilkan gas CO2, CO dan CxHy. Menurut kajian yang berkaitan, penjanaan H2 berasal dari air surih dalam elektrolit, tetapi kandungan air dalam elektrolit umumnya sekitar 20 × 10-6, yang memberikan sumbangan yang sangat sedikit terhadap output H2. Wu Kai dari Universiti Shanghai Jiaotong menggunakan grafit / NCM111 sebagai bateri dalam eksperimennya dan menyimpulkan bahawa sumber H2 adalah penguraian karbonat di bawah voltan tinggi. Pada masa ini, terdapat terutamanya tiga penyelesaian untuk menghalang perut lithium titanate. Pertama, pemprosesan dan pengubahsuaian bahan anod LTO, termasuk kaedah penyediaan yang lebih baik dan pengubahsuaian permukaan, dan lain-lain; kedua, pengembangan elektrolit yang sepadan dengan anod LTO, termasuk bahan tambahan, sistem Pelarut; ketiga, meningkatkan teknologi bateri.