引起軟包鋰離子電池鼓脹的原因有很多。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研發(fā)經(jīng)驗(yàn),筆者將鋰電池鼓脹的原因分為三類,一是電池極片在循環(huán)過程中膨脹導(dǎo)致的厚度增加;二是由于電解液氧化分解產(chǎn)氣導(dǎo)致的鼓脹。三是電池封裝不嚴(yán)引進(jìn)水分、角位破損等工藝缺陷引起的鼓脹。在不同的電池體系中,電池厚度變化的主導(dǎo)因素不同,如在鈦酸鋰負(fù)極體系電池中,鼓脹的主要因素是氣鼓;在石墨負(fù)極體系中,極片厚度和產(chǎn)氣對電池的鼓脹均起到促進(jìn)作用。
鋰離子電池在充電過程中電芯厚度增加主要?dú)w結(jié)為負(fù)極的膨脹,正極膨脹率僅為2~4%,負(fù)極通常由石墨、粘接劑、導(dǎo)電碳組成,其中石墨材料本身的膨脹率達(dá)到~10%,造成石墨負(fù)極膨脹率變化的主要影響因素包括:SEI膜形成、荷電狀態(tài)(stateofge,SOC)、工藝參數(shù)以及其他影響因素。
電池內(nèi)部產(chǎn)氣是導(dǎo)致電池鼓脹的另一重要原因,無論是電池在常溫循環(huán)、高溫循環(huán)、高溫?cái)R置時,其均會產(chǎn)生不同程度的鼓脹產(chǎn)氣。在不同體系中,電池產(chǎn)鼓脹程度不同。
1.封裝不良,由封裝不良所引起脹氣電池芯的比例已經(jīng)大大地降低。封裝不良引起空氣中水分進(jìn)入電池芯內(nèi)部,引起電解液分解產(chǎn)生氣體等。
2.Pocket表面破損,電池芯在流拉過程中,受到異常損壞或人為破環(huán)導(dǎo)致Pocket破損(如針孔)而使水分進(jìn)入電池芯內(nèi)部。
3.角位破損,由于折邊角位鋁的特殊變形,氣袋晃動會扭曲角位導(dǎo)致Al破損(電池芯越大,氣袋越大,越易破損),失去對水的阻隔作用。
4.電池芯內(nèi)部水含量超標(biāo),一旦水含量超標(biāo),電解液會失效在化成或Degassing后產(chǎn)生氣體。
5.化成流程異常,錯誤的化成流程會導(dǎo)致電池芯發(fā)生脹氣。
6.SEI膜不穩(wěn)定,電池芯在容量測試充放電過程中發(fā)射功能輕微脹氣。
7.過充、過放,由于流程或機(jī)器或保護(hù)板的異常,使電池芯被過充或過度放電,電池芯會發(fā)生嚴(yán)重鼓氣。
8.短路,由于操作失誤導(dǎo)致帶電電芯兩Tab接觸發(fā)生短路,電池芯會發(fā)生鼓氣同時電壓迅速下降,Tab會被燒黑。
9.內(nèi)部短路,電池芯內(nèi)部陰陽極短路導(dǎo)致電芯迅速放電發(fā)熱同時嚴(yán)重鼓氣。內(nèi)部短路的原因有很多種:設(shè)計(jì)問題;隔離膜收縮、捲曲、破損;Bi-cell錯位;毛刺刺穿隔離膜;夾具壓力過大;燙邊機(jī)過度擠壓等。
10.腐蝕,電池芯發(fā)生腐蝕,鋁層被反應(yīng)消耗,失去對水的阻隔作用,發(fā)生脹氣。
11.真空抽氣異常,系統(tǒng)或機(jī)器的原因?qū)е抡婵斩犬惓egassing抽氣不徹底;VacuumSealing的熱輻射區(qū)過大,導(dǎo)致Degassing抽氣刺刀不能有效地刺破Pocket袋而導(dǎo)致抽氣不干凈。
抑制異常產(chǎn)氣需要從材料設(shè)計(jì)和制造工藝兩方面著手。
首先要設(shè)計(jì)優(yōu)化材料及電解液體系,保證形成致密穩(wěn)定的SEI膜,提高正極材料的穩(wěn)定性,抑制異常產(chǎn)氣的發(fā)生。
此外由于正極鈷酸鋰材料與電解液的相互作用,使其分解產(chǎn)物會催化電解液中溶劑分解,所以對于正極材料進(jìn)行表面包覆,不但可以增加材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,還可以減少正極與電解液的接觸,降低活性正極催化分解所產(chǎn)生的氣體。因此,正極材料顆粒表面形成穩(wěn)定完整的包覆層也是目前的一大發(fā)展方向。
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