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鋰離子電池鼓脹是一個常見的問題,特別是大的鋁殼和軟包電池,鋰電池鼓脹的原因分為三類:
一是電池極片的厚度變化導致的鼓脹;
二是由于電解液氧化分解產氣導致的鼓脹。
三是電池封裝不嚴引進水分、角位破損等工藝缺陷引起的鼓脹。
電池鼓脹,一方面電池厚度和應力的改變可能引起電池性能的變化,對電池的壽命和可靠性造成不利的影響。另一方面也制約了電池的成組設計。
電池內部產氣是導致電池鼓脹的一個重要原因,無論是電池在常溫循環、高溫循環、高溫擱置時,其均會產生不同程度的鼓脹產氣。據目前研究結果顯示,引起電芯脹氣的本質是電解液發生分解所致。
一、電池極片的厚度變化又存在以下幾種情況:
(1)極片輥壓后,擱置時厚度的反彈,壓實密度越大反彈越大;在相同的應力下,粘接劑彈性模量越大,極片擱置反彈越小,干燥也會導致極片反彈。
(2)極片吸收電解液溶脹,極片厚度增加。
(3)充放電過程中,鋰嵌入導致晶格參數變化引起的電極膨脹。
本文主要介紹鋰離子電池石墨負極鋰化以及極片膨脹過程。
二、電池產氣引起的鼓脹
電池內部產氣是導致電池鼓脹的另一重要原因,無論是電池在常溫循環、高溫循環、高溫擱置時,其均會產生不同程度的鼓脹產氣。電池在首次充放電過程中,電極表面會形成SEI (Solid Electrolyte Interface)膜。負極SEI膜的形成主要來于EC(Ethylene Carbonate)的還原分解,在烷基鋰和Li2CO3的生成的同時,會有大量的CO和C2H4生成。溶劑中的DMC (Dimethyl Carbonate)、EMC (Ethyl Methyl Carbonate)也會在成膜過程中成RLiCO3和ROLi,伴隨產生CH4、C2H6和C3H8等氣體與CO氣體。在PC (Propylene carbonate)基電解液中,氣體的產生相對較多,主要是PC還原生成的C3H8氣體。儲存和長期充放電過程中也會有氣體的產生,對于密封的鋰離子電池而言,大量的氣體出現會造成電池氣脹,從而影響電池的性能,縮短電池的使用壽命。
在不同體系中,電池產鼓脹程度不同。在石墨負極體系電池中,產氣鼓脹的原因主要還是如上所述的SEI膜生成、電芯內水分超標、化成流程異常、封裝不良等,而在鈦酸鋰負極體系中,產業界普遍認為 Li4Ti5O12電池的脹氣主要是材料自身容易吸水所導致的,但沒有確切證據來證明這一猜測。
三、工序異常導致產生氣體引起膨脹
封裝不良,由封裝不良所引起脹氣電芯的比例已經大大地降低。前面已經介紹了引起Top sealing、Side sealing和Degassing三邊封裝不良的原因,任何一邊封裝不良都會導致電池芯,表現以Top sealing 和Degassing居多,Top sealing主要是Tab位密封不良,Degassing主要是分層(包括受電解液和凝膠影響導致PP與Al脫離)。封裝不良引起空氣中水分進入電池芯內部,引起電解液分解產生氣體等。