لماذا تنتفخ خلايا الحقيبة؟

هناك العديد من الأسباب التي تؤدي إلى تضخم بطاريات الليثيوم أيون-النوع الكيس-. بناءً على تجربة البحث والتطوير التجريبية، يمكن تصنيف أسباب التورم إلى ثلاثة أنواع: أولاً، زيادة السُمك الناتج عن تمدد صفائح أقطاب البطارية أثناء ركوب الدراجات؛ ثانياً، التورم الناتج عن توليد الغاز الناتج عن التحلل التأكسدي للكهارل؛ وثالثًا، التورم الناتج عن عيوب التصنيع، مثل دخول الرطوبة بسبب سوء الغلق أو تلف زوايا الخلية.

تختلف العوامل السائدة التي تسبب التغيرات في سمك البطارية عبر كيمياء البطارية المختلفة. على سبيل المثال، في البطاريات التي تستخدم أنودات تيتانات الليثيوم (LTO)، يكون توليد الغاز هو السبب الرئيسي للتورم؛ في المقابل، بالنسبة للبطاريات التي تحتوي على أنودات الجرافيت، يساهم كل من تمدد صفائح الإلكترود وتوليد الغاز في التورم.

مناقشة حول العوامل والآليات المؤثرة على توسيع أنود الجرافيت

ترجع الزيادة في سمك الخلية أثناء شحن بطاريات الليثيوم-أيون بشكل أساسي إلى تمدد الأنود؛ معدل توسع الكاثود هو 2-4٪ فقط. تتكون الأنودات عادة من الجرافيت، والمواد الرابطة، والكربون الموصل، مع مادة الجرافيت نفسها تظهر معدل تمدد يبلغ حوالي 10٪. تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على معدل توسع أنودات الجرافيت تكوين فيلم SEI (الطور البيني بالكهرباء الصلبة)، وحالة الشحن (SOC)، ومعلمات العملية، ومتغيرات أخرى.

(1) تشكيل فيلم SEI
أثناء دورة الشحن-الأولية لبطارية أيون الليثيوم-، يحدث تفاعل اختزال بين الإلكتروليت وجزيئات الجرافيت عند السطح البيني السائل -الصلب، مما يشكل طبقة تخميل (فيلم SEI) فوق مادة الإلكترود. يؤدي تكوين فيلم SEI إلى زيادة كبيرة في سمك الأنود، مما يساهم في زيادة إجمالية في سمك الخلية بحوالي 4%. على مدار فترة طويلة-من التدوير، يؤثر الهيكل المادي ومساحة السطح المحددة للجرافيت على عملية ديناميكية تتضمن تحلل SEI الحالي وتكوين SEI جديد؛ على سبيل المثال، يُظهر الجرافيت الرقيق معدل تمدد أعلى من الجرافيت الكروي.

(2) حالة الشحن (SOC)
أثناء عملية التدوير، يظهر توسع حجم أنود الجرافيت علاقة وظيفية دورية قوية مع SOC للخلية. على وجه التحديد، يتوسع الحجم تدريجيًا مع إقحام أيونات الليثيوم في الجرافيت (مما يزيد من SOC للخلية)؛ على العكس من ذلك، عندما يتم فصل أيونات الليثيوم-من أنود الجرافيت، يقل SOC للخلية، وينكمش حجم أنود الجرافيت وفقًا لذلك.

(3) معلمات العملية
فيما يتعلق بمعلمات العملية، تؤثر كثافة الضغط بشكل كبير على أنود الجرافيت. أثناء الضغط البارد على لوح القطب، يتطور إجهاد ضغط كبير داخل طبقة طلاء أنود الجرافيت؛ ومن الصعب تخفيف هذا الضغط بشكل كامل أثناء الخطوات اللاحقة مثل الخبز في درجة حرارة عالية-. أثناء دورة تفريغ الشحن-، تتسبب التأثيرات المجمعة لإقحام أيون الليثيوم-/إقحام دي-والتورم الناتج عن الإلكتروليت في المادة الرابطة في تحرير الضغط داخل الطلاء، مما يؤدي إلى زيادة التمدد. علاوة على ذلك، فإن كثافة الضغط تحدد حجم الفراغ داخل طلاء الأنود. يمكن لحجم الفراغ الكبير أن يستوعب بشكل فعال توسيع ورقة القطب.

على العكس من ذلك، إذا كان حجم الفراغ صغيرًا، فلا توجد مساحة كافية لاستيعاب التمدد؛ وبالتالي، يتم إجبار التمدد على الخارج، مما يظهر على شكل زيادة في الحجم الإجمالي لصفيحة الأنود.

(4) عوامل أخرى
تشمل العوامل الأخرى التي تؤثر على تمدد الأنود قوة التصاق الرابط (على وجه التحديد الالتصاق البيني بين الرابط، وجزيئات الجرافيت، والكربون الموصل، ومجمع التيار)، ومعدلات تفريغ الشحنة-، والسلوك المنتفخ للمادة الرابطة في المنحل بالكهرباء، وشكل جزيئات الجرافيت وكثافتها، وزيادة حجم الإلكترود الناتج عن تدهور المادة الرابطة أثناء التدوير.

شركة Acey New Energy متخصصة في البحث وتصنيع المعدات المتطورة لبطاريات أيون الليثيوم-. يمكننا توفير-حل شامل لميزان المختبرات-.خط انتاج البطارياتللبطارية الأسطوانية، والخلية المعدنية، وخلية الحقيبة

يعد توليد الغاز داخل البطارية سببًا رئيسيًا آخر للتورم.

تتعرض البطاريات لدرجات متفاوتة من توليد الغاز والانتفاخ أثناء ركوب الدراجات في الغرفة أو في درجات حرارة عالية، وكذلك أثناء التخزين-في درجات حرارة عالية.

أثناء دورة تفريغ الشحنة الأولية-، يتشكل فيلم الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) على سطح القطب الكهربي. ينتج تكوين طبقة SEI (الطور البيني بالكهرباء الصلبة) على الأنود في المقام الأول عن التحلل الاختزالي لـ EC (كربونات الإيثيلين)؛ ويصاحب توليد ألكيل الليثيوم وLi2CO3 إنتاج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون وC2H4. تساهم المذيبات مثل DMC (كربونات ثنائي ميثيل) وEMC (كربونات إيثيل ميثيل) أيضًا في تكوين الفيلم، مما ينتج عنه RLiCO3 وROLi جنبًا إلى جنب مع غازات مثل CH4 وC2H6 وC3H8 وCO. في الإلكتروليتات المعتمدة على PC (كربونات البروبيلين)-، يكون توليد الغاز أعلى نسبيًا، ويرجع ذلك أساسًا إلى إنتاج غاز C3H8 من اختزال PC. بالنسبة لخلايا أكياس LiFePO4، يكون تورم الغاز أكثر شدة بعد اكتمال دورة الشحن الأولية البالغة 0.1 درجة مئوية.

ومن الواضح أن تكوين SEI يصاحبه حتماً توليد كميات كبيرة من الغاز. يؤدي وجود شوائب H2O إلى زعزعة استقرار روابط P-F في LiPF6، مما يؤدي إلى تكوين HF؛ يؤدي هذا إلى زعزعة استقرار نظام البطارية ويولد الغاز. يستهلك الماء الزائد أيونات Li+، مما يؤدي إلى إنتاج LiOH وLiO2 وH2، مما يؤدي أيضًا إلى تطور الغاز. ويحدث توليد الغاز أيضًا أثناء دورة التخزين والتفريغ{10}المطولة؛ في بطاريات الليثيوم-أيون المغلقة، يؤدي تراكم الغاز بشكل كبير إلى التورم، مما يؤدي إلى إضعاف أداء البطارية وتقصير عمر الخدمة. الأسباب الرئيسية لتوليد الغاز أثناء التخزين هي كما يلي:

(1) يؤدي الماء الموجود في نظام البطارية إلى تكوين HF، مما يؤدي إلى إتلاف طبقة SEI. قد يؤدي الأكسجين (O2) الموجود في النظام إلى أكسدة الإلكتروليت، مما يؤدي إلى توليد كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون؛
(2) إذا كانت طبقة SEI التي تشكلت أثناء التنشيط (التكوين) الأولي غير مستقرة، فقد تتحلل أثناء التخزين؛ يؤدي الإصلاح اللاحق لطبقة SEI إلى إطلاق غازات تتكون أساسًا من الهيدروكربونات. أثناء دورة تفريغ الشحن-طويلة الأمد-، يمكن أن تؤدي التغييرات في البنية البلورية لمادة الكاثود و-التوزيع المحتمل غير المنتظم عبر سطح القطب إلى إمكانات عالية موضعية. وهذا يقلل من استقرار المنحل بالكهرباء في واجهة القطب الكهربائي؛ يؤدي السماكة المستمرة للطبقة السطحية إلى زيادة المقاومة السطحية، مما يزيد من إمكانية التفاعل. يؤدي هذا إلى تحلل الإلكتروليت وتوليد الغاز، في حين أن مادة الكاثود نفسها قد تطلق غازًا أيضًا.

تظهر البطاريات درجات متفاوتة من التورم اعتمادًا على أنظمتها الكيميائية. في البطاريات التي تستخدم أنودات الجرافيت، تتمثل الأسباب الرئيسية لتوليد الغاز والانتفاخ في-كما ذكرنا سابقًا-تكوين طبقة SEI، ومحتوى الرطوبة الزائد داخل الخلية، والشذوذات في عملية التكوين، وضعف الختم. في المقابل، في نظام أنود تيتانات الليثيوم (LTO)، تعزو الصناعة بشكل عام توليد الغاز في بطاريات Li4Ti5O12 إلى الميل المتأصل للمادة إلى امتصاص الرطوبة، على الرغم من عدم وجود دليل قاطع لتأكيد هذه الفرضية.

1. سوء الختم:انخفض معدل الإصابة بالخلايا المنتفخة الناجمة عن عيوب الختم بشكل ملحوظ. يمكن أن تحدث العيوب في أي جانب من جوانب الختم، حيث يكون الختم العلوي وموانع التفريغ هي أكثر مناطق المشاكل شيوعًا؛ عادةً ما تتضمن مشكلات الختم العلوي منطقة علامة التبويب، بينما تشتمل مشكلات تفريغ الغاز غالبًا على التصفيح. يسمح الختم السيئ للرطوبة الجوية بدخول الخلية، مما يؤدي إلى تحلل الإلكتروليت وتوليد الغاز.

2. تلف سطح الحقيبة:أثناء تدفق خط الإنتاج، قد يتعرض الكيس لأضرار عرضية أو بسبب الإنسان-(مثل الثقوب)، مما يسمح للرطوبة باختراق داخل الخلية.

3. ضرر الزاوية:نظرًا للتشوه المحدد لطبقة الألومنيوم عند الزوايا المطوية، فإن حركة كيس الغاز يمكن أن تؤدي إلى تحريف الزاوية، مما يؤدي إلى إتلاف الألومنيوم (الخلايا الأكبر حجمًا التي تحتوي على أكياس غاز أكبر تكون أكثر عرضة لذلك) والإضرار بحاجز الرطوبة. يمكن أن يساعد وضع شريط كريب أو مادة لاصقة -تذوب ساخنة في الزوايا في تقليل هذه المخاطر. علاوة على ذلك، يُحظر التعامل مع الخلايا بواسطة كيس الغاز بعد الختم العلوي؛ يجب توخي الحذر بشكل خاص أثناء العملية لمنع الخلايا من التمايل أثناء وجودها على رفوف الشيخوخة.

4. زيادة محتوى الرطوبة الداخلية:إذا تجاوزت مستويات الرطوبة الحدود، يتحلل الإلكتروليت، مما يؤدي إلى توليد الغاز بعد التكوين أو تفريغ الغاز. تشمل الأسباب الرئيسية للرطوبة الداخلية المفرطة ما يلي: ارتفاع محتوى الرطوبة في المنحل بالكهرباء، وارتفاع محتوى الرطوبة في الخلية العارية بعد الخبز، والرطوبة الزائدة في الغرفة الجافة. إذا كان هناك شك في أن الرطوبة الزائدة هي سبب التورم، فيمكن إجراء فحص تتبع العملية.

5. شذوذات عملية التكوين:يمكن أن تؤدي إجراءات التكوين غير الصحيحة إلى تورم الخلايا.

6. طبقة SEI غير المستقرة:قد يحدث انتفاخ طفيف أثناء الشحن-دورات التفريغ لاختبار السعة. 7. الشحن الزائد/التفريغ الزائد-: بسبب خلل في العملية أو المعدات أو لوحة دائرة الحماية (PCB)، تتعرض خلية البطارية للشحن الزائد أو التفريغ المفرط، مما يؤدي إلى تورم شديد (توليد الغاز).

8. ماس كهربائى:تؤدي الأخطاء التشغيلية التي تسبب الاتصال بين علامات تبويب الخلايا الحية إلى حدوث ماس كهربائي؛ تتضخم الخلية، وينخفض ​​الجهد الكهربائي بسرعة، وتصبح علامات التبويب متفحمة باللون الأسود.

9. ماس كهربائي داخلي:يؤدي قصر الدائرة الكهربائية بين الأنود والكاثود داخل الخلية إلى تفريغ سريع وتوليد الحرارة، مصحوبًا بتورم شديد. تشمل الأسباب عيوب التصميم؛ انكماش الفاصل أو تجعيده أو تلفه؛ اختلال محاذاة الخلايا الثنائية-؛ نتوءات ثقب الفاصل. الضغط المفرط للتركيبات أو أكثر من-الضغط بواسطة آلة الختم الحراري-. على سبيل المثال، العرض غير الكافي مع الضغط الزائد على جسم الخلية بواسطة آلة الختم الحراري-تسبب سابقًا في قصر وتورم الأنود-الكاثود.

10. التآكل:يؤدي تآكل الخلية إلى استهلاك طبقة الألومنيوم، مما يؤدي إلى تدمير وظيفتها كحاجز للرطوبة ويؤدي إلى التورم.

11. تفريغ الفراغ غير الطبيعي:تؤدي مشكلات النظام أو المعدات إلى مستويات فراغ غير مناسبة أو تفريغ غير كامل للغاز. على سبيل المثال، إذا كانت منطقة الإشعاع الحراري أثناء الختم الفراغي كبيرة جدًا، فقد تفشل أداة ثقب التفريغ في ثقب الحقيبة بشكل فعال، مما يؤدي إلى عدم اكتمال استخراج الغاز.

يتطلب قمع توليد الغاز غير الطبيعي معالجة كل من تصميم المواد وعمليات التصنيع.

أولاً،يجب تحسين أنظمة المواد والكهارل لضمان تكوين طبقة كثيفة ومستقرة من الطور البيني للكهارل الصلبة (SEI)، وتعزيز استقرار مادة الكاثود، ومنع توليد الغاز غير الطبيعي.

فيما يتعلق بمعالجة الإلكتروليتات، غالبًا ما يتم استخدام كميات صغيرة من المواد المضافة لتشكيل الغشاء لجعل طبقة SEI أكثر تجانسًا وكثافة. وهذا يقلل من توليد الغاز الناتج عن انفصال غشاء SEI وتجديده أثناء استخدام البطارية، وبالتالي تخفيف التورم؛ وقد تم توثيق هذه الأساليب في البحث وتطبيقها في الممارسة العملية.

تشير الأبحاث إلى أن مكونات فيلم SEI المكونة من EC (كربونات الإيثيلين) وVC (كربونات الفينيلين) تتكون من كربونات ألكيل الليثيوم الخطية. عند درجات الحرارة المرتفعة، تكون كربونات ألكيل الليثيوم المرتبطة بالكربون المتحلل (LiC) غير مستقرة وتتحلل لتنتج غازات (مثل ثاني أكسيد الكربون)، مما يؤدي إلى تورم البطارية. يتكون فيلم SEI الذي يتكون من PS من سلفونات ألكيل الليثيوم؛ على الرغم من أن الفيلم يحتوي على عيوب، إلا أنه يمتلك بنية معينة-ثنائية الأبعاد ويظل مستقرًا نسبيًا على سطح LiC حتى في درجات الحرارة المرتفعة. عند استخدام PS وVC معًا، يشكل PS بنية معيبة ثنائية الأبعاد - على سطح الأنود عند الفولتية المنخفضة؛ مع ارتفاع الجهد، يشكل VC كربونات ألكيل الليثيوم - الخطية التي تملأ العيوب في البنية ثنائية الأبعاد -، مما ينتج عنه فيلم SEI مستقر ومنظم شبكيًا على LiC. يعمل هذا النوع من بنية فيلم SEI على تعزيز الاستقرار بشكل كبير ويمنع بشكل فعال توليد الغاز الناتج عن تحلل الفيلم.

بالإضافة إلى،تؤدي التفاعلات بين مادة كاثود أكسيد كوبالت الليثيوم والإلكتروليت إلى منتجات تحلل تحفز تحلل مذيبات الإلكتروليت. وبالتالي، فإن تطبيق طلاء سطحي على مادة الكاثود لا يؤدي إلى تحسين الاستقرار الهيكلي فحسب، بل يقلل أيضًا من الاتصال بين الكاثود والكهارل، وبالتالي تقليل توليد الغاز الناتج عن نشاط التحلل الحفزي للكاثود. لذلك، فإن تكوين طبقة طلاء مستقرة وسليمة على سطح جزيئات مادة الكاثود يمثل اتجاهًا رئيسيًا للتطور الحالي.

اسي الطاقة الجديدةمتخصصة في توفير-حلول شاملة لخطوط التجميع شبه الأوتوماتيكية/الكاملة-التلقائية لحزم بطاريات الليثيوم المستخدمة في ESS، الطائرات بدون طيار، E-الدراجة، E-السكوتر، الأدوات الكهربائية، الدراجات ذات العجلتين/الثلاث عجلات، وما إلى ذلك. إذا كنت جديدًا في صناعة بطاريات أيون الليثيوم، وترغب في إنشاء خط إنتاج بطارية أيون الليثيوم أو أيون الليثيوم الخاص بكخط تجميع حزمة البطارية، يمكننا أن نقدم لك الدعم الفني والتوجيه المهني، فلا تتردد في الاتصال بنا!

اتصل الآن