Tại sao các tế bào túi sưng lên?

Có nhiều lý do khiến pin ion-loại túi- bị phồng lên. Dựa trên kinh nghiệm R&D thực nghiệm, nguyên nhân gây phồng rộp có thể được phân thành ba loại: thứ nhất, độ dày tăng lên do sự giãn nở của các tấm điện cực của pin trong quá trình đạp xe; thứ hai, sưng tấy do tạo ra khí do quá trình phân hủy oxy hóa của chất điện phân; và thứ ba, sưng tấy do lỗi sản xuất, chẳng hạn như hơi ẩm xâm nhập do bịt kín kém hoặc hư hỏng ở các góc tế bào.

Các yếu tố chi phối dẫn đến sự thay đổi độ dày của pin khác nhau tùy theo các thành phần hóa học khác nhau của pin. Ví dụ, trong pin sử dụng cực dương lithium titanate (LTO), việc tạo ra khí là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phồng rộp; ngược lại, đối với pin có cực dương than chì, cả sự giãn nở của tấm điện cực và tạo ra khí đều góp phần gây ra hiện tượng phồng lên.

Thảo luận về các yếu tố và cơ chế ảnh hưởng đến sự giãn nở của cực dương than chì

Sự gia tăng độ dày của tế bào trong quá trình sạc pin lithium{0}}ion chủ yếu là do sự giãn nở của cực dương; tốc độ giãn nở của cực âm chỉ là 2–4%. Cực dương thường bao gồm than chì, chất kết dính và carbon dẫn điện, với vật liệu than chì có tốc độ giãn nở khoảng 10%. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ giãn nở của cực dương than chì bao gồm sự hình thành màng SEI (Solid Electrolyte Interphase), trạng thái điện tích (SOC), các thông số quy trình và các biến số khác.

(1) Sự hình thành phim SEI
Trong chu kỳ phóng điện-ban đầu của pin lithium{1}}ion, phản ứng khử xảy ra giữa chất điện phân và các hạt than chì ở bề mặt chất lỏng-rắn, tạo thành lớp thụ động (màng SEI) trên vật liệu điện cực. Sự hình thành màng SEI dẫn đến sự gia tăng đáng kể độ dày cực dương, góp phần làm tăng tổng độ dày tế bào khoảng 4%. Trong quá trình tuần hoàn-dài hạn, cấu trúc vật lý và diện tích bề mặt cụ thể của than chì ảnh hưởng đến một quá trình động liên quan đến sự phân hủy SEI hiện có và hình thành SEI mới; ví dụ, than chì vảy thể hiện tốc độ giãn nở cao hơn than chì hình cầu.

(2) Trạng thái tính phí (SOC)
Trong quá trình đạp xe, sự giãn nở thể tích của cực dương than chì thể hiện mối quan hệ chức năng tuần hoàn mạnh mẽ với SOC của tế bào. Cụ thể, thể tích tăng dần khi các ion lithium xen vào than chì (tăng SOC của tế bào); ngược lại, khi các ion lithium khử-xen vào cực dương than chì, SOC của tế bào giảm và thể tích cực dương than chì co lại tương ứng.

(3) Thông số quy trình
Về thông số quy trình, mật độ nén tác động đáng kể đến cực dương than chì. Trong quá trình ép nguội tấm điện cực, ứng suất nén đáng kể phát triển bên trong lớp phủ cực dương than chì; khó có thể giải tỏa hoàn toàn sự căng thẳng này trong các bước tiếp theo, chẳng hạn như nướng ở nhiệt độ-cao. Trong chu trình phóng điện-, các tác động kết hợp của sự xen kẽ/khử ion lithium-intercalation/de{5}}và chất điện phân-gây ra sự phồng lên của chất kết dính khiến ứng suất bên trong lớp phủ được giải phóng, dẫn đến sự giãn nở tăng lên. Hơn nữa, mật độ nén xác định thể tích trống bên trong lớp phủ cực dương. Thể tích trống lớn có thể đáp ứng hiệu quả sự giãn nở của tấm điện cực.

Ngược lại, nếu thể tích trống nhỏ thì không có đủ không gian để hấp thụ sự giãn nở; do đó, sự giãn nở bị ép ra bên ngoài, biểu hiện bằng sự gia tăng thể tích tổng thể của tấm cực dương.

(4) Các yếu tố khác
Các yếu tố khác ảnh hưởng đến sự giãn nở của cực dương bao gồm cường độ bám dính của chất kết dính (cụ thể là độ bám dính bề mặt giữa chất kết dính, các hạt than chì, cacbon dẫn điện và bộ thu dòng điện), tốc độ phóng điện-, trạng thái trương nở của chất kết dính trong chất điện phân, hình dạng và mật độ đóng gói của các hạt than chì cũng như thể tích điện cực tăng do sự phân hủy chất kết dính trong quá trình đạp xe.

Acey New Energy chuyên nghiên cứu và sản xuất thiết bị-cao cấp dành cho pin lithium-ion. Chúng tôi có thể cung cấp-giải pháp toàn diện cho quy mô phòng thí nghiệm-dây chuyền sản xuất pincho pin hình trụ, pin đồng xu, pin dạng túi

Việc tạo ra khí bên trong pin là một nguyên nhân chính khác gây ra hiện tượng phồng pin.

Pin có mức độ tạo khí và phồng lên khác nhau trong quá trình đạp xe ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ cao cũng như khi bảo quản ở nhiệt độ-cao.

Trong chu trình phóng điện-ban đầu, một lớp màng điện phân rắn (SEI) hình thành trên bề mặt điện cực. Sự hình thành lớp SEI (Solid Electrolyte Interphase) trên cực dương chủ yếu là kết quả của quá trình phân hủy khử EC (Ethylene Carbonate); việc tạo ra alkyl lithium và Li2CO3 đi kèm với việc tạo ra một lượng đáng kể CO và C2H4. Các dung môi như DMC (Dimethyl Carbonate) và EMC (Ethyl Methyl Carbonate) cũng góp phần hình thành màng, tạo ra RLiCO3 và ROLi cùng với các loại khí như CH4, C2H6, C3H8 và CO. Trong các chất điện phân dựa trên PC (Propylene Carbonate)-, khả năng tạo khí tương đối cao hơn, chủ yếu là do sản sinh ra khí C3H8 từ quá trình khử PC. Đối với pin dạng túi LiFePO4, hiện tượng phồng khí là nghiêm trọng nhất sau khi hoàn thành chu kỳ sạc 0,1C ban đầu.

Rõ ràng là sự hình thành SEI chắc chắn đi kèm với việc tạo ra một lượng khí đáng kể. Sự hiện diện của tạp chất H2O làm mất ổn định liên kết P-F trong LiPF6, dẫn đến sự hình thành HF; điều này làm mất ổn định hệ thống pin và tạo ra khí. Quá nhiều H2O tiêu thụ các ion Li+, tạo ra LiOH, LiO2 và H2, điều này cũng dẫn đến sự sinh ra khí. Việc tạo khí cũng xảy ra trong quá trình lưu trữ và chu trình phóng điện kéo dài; trong pin lithium{11}}ion kín, sự tích tụ khí đáng kể sẽ gây ra hiện tượng phồng rộp, do đó làm giảm hiệu suất của pin và rút ngắn tuổi thọ sử dụng của pin. Những lý do chính tạo ra khí trong quá trình lưu trữ như sau:

(1) H2O có trong hệ thống pin dẫn đến hình thành HF, làm hỏng lớp SEI. Oxy (O2) trong hệ thống có thể oxy hóa chất điện phân, dẫn đến tạo ra lượng lớn CO2;
(2) Nếu lớp SEI được hình thành trong quá trình kích hoạt (hình thành) ban đầu không ổn định thì nó có thể xuống cấp trong quá trình bảo quản; việc sửa chữa tiếp theo của lớp SEI sẽ giải phóng các khí bao gồm chủ yếu là hydrocarbon. Trong chu kỳ phóng điện-thời gian{3}}dài hạn, những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của vật liệu cực âm và sự phân bố điện thế không-đồng đều trên bề mặt điện cực có thể gây ra điện thế cao cục bộ. Điều này làm giảm tính ổn định của chất điện phân ở bề mặt điện cực; sự dày lên liên tục của màng bề mặt làm tăng sức cản bề mặt, nâng cao hơn nữa khả năng phản ứng. Điều này gây ra sự phân hủy chất điện phân và tạo ra khí, trong khi bản thân vật liệu làm cực âm cũng có thể giải phóng khí.

Pin có mức độ phồng khác nhau tùy thuộc vào hệ thống hóa học của chúng. Trong pin sử dụng cực dương than chì, nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tạo khí và phồng rộp là-như đã đề cập trước đó-sự hình thành lớp SEI, độ ẩm quá cao bên trong tế bào, những bất thường trong quá trình hình thành và khả năng bịt kín kém. Ngược lại, trong hệ thống cực dương lithium titanate (LTO), ngành công nghiệp thường cho rằng việc tạo ra khí trong pin Li4Ti5O12 là do xu hướng hấp thụ độ ẩm vốn có của vật liệu, mặc dù không có bằng chứng chắc chắn nào xác nhận giả thuyết này.

1. Độ kín kém:Tỷ lệ tế bào bị sưng do khiếm khuyết niêm phong đã giảm đáng kể. Khiếm khuyết có thể xảy ra ở bất kỳ mặt bịt kín nào, trong đó các vòng đệm kín và khử khí trên cùng là các khu vực có vấn đề phổ biến nhất; các vấn đề về niêm phong phía trên thường liên quan đến khu vực tab, trong khi các vấn đề về khử khí thường liên quan đến việc tách lớp. Độ kín kém cho phép hơi ẩm trong khí quyển xâm nhập vào tế bào, gây ra sự phân hủy chất điện phân và tạo ra khí.

2. Bề mặt túi bị hư hỏng:Trong quá trình vận hành dây chuyền sản xuất, túi có thể bị hư hỏng do tai nạn hoặc do con người-gây ra (chẳng hạn như lỗ kim), khiến hơi ẩm xâm nhập vào bên trong tế bào.

3. Hư hỏng góc:Do sự biến dạng cụ thể của lớp nhôm ở các góc gấp, chuyển động của túi khí có thể làm xoắn góc, làm hỏng nhôm (các ngăn lớn hơn với túi khí lớn hơn dễ xảy ra hiện tượng này) và làm ảnh hưởng đến rào cản độ ẩm. Dán băng crepe hoặc keo-nóng chảy ở các góc có thể giúp giảm thiểu rủi ro này. Hơn nữa, việc xử lý các tế bào bằng túi khí sau khi bịt kín phía trên đều bị cấm; phải đặc biệt cẩn thận trong quá trình vận hành để ngăn chặn các tế bào bị lắc lư khi đặt trên giá đỡ cũ.

4. Độ ẩm bên trong quá mức:Nếu độ ẩm vượt quá giới hạn, chất điện phân sẽ bị phân hủy, dẫn đến tạo ra khí sau khi hình thành hoặc khử khí. Nguyên nhân chính dẫn đến độ ẩm bên trong quá mức bao gồm: độ ẩm cao trong chất điện phân, độ ẩm cao trong tế bào trần sau khi nướng và độ ẩm quá mức trong phòng khô. Nếu nghi ngờ độ ẩm quá mức là nguyên nhân gây phồng rộp thì có thể tiến hành kiểm tra truy xuất nguồn gốc quy trình.

5. Quá trình hình thành dị thường:Quy trình hình thành không chính xác có thể dẫn đến sưng tế bào.

6. Lớp SEI không ổn định:Hiện tượng phồng nhẹ có thể xảy ra trong quá trình sạc-chu kỳ phóng điện của kiểm tra công suất. 7. Sạc quá mức/Xả quá mức-: Do trục trặc trong quy trình, thiết bị hoặc bảng mạch bảo vệ (PCB), tế bào pin bị sạc quá mức hoặc phóng điện quá mức, dẫn đến hiện tượng phồng rộp nghiêm trọng (tạo khí).

8. Đoản mạch:Lỗi vận hành gây ra sự tiếp xúc giữa các tab ô sống dẫn đến đoản mạch; tế bào phồng lên, điện áp giảm nhanh và các tab trở nên cháy đen.

9. Ngắn mạch bên trong:Đoản mạch giữa cực dương và cực âm bên trong tế bào gây ra hiện tượng phóng điện và sinh nhiệt nhanh, kèm theo hiện tượng phồng rộp nghiêm trọng. Nguyên nhân bao gồm sai sót trong thiết kế; dải phân cách co ngót, quăn hoặc hư hỏng; sự sắp xếp sai lệch của các ô-bi; gờ làm thủng dải phân cách; áp lực cố định quá mức; hoặc bị nén quá mức bằng máy hàn nhiệt-. Ví dụ: chiều rộng không đủ kết hợp với việc thân tế bào bị nén quá mức bởi-máy hàn nhiệt trước đây đã gây ra hiện tượng đoản mạch và phồng lên cực âm-của cực dương.

10. Ăn mòn:Sự ăn mòn của tế bào làm tiêu hao lớp nhôm, phá hủy chức năng rào cản độ ẩm của nó và dẫn đến hiện tượng phồng rộp.

11. Khử khí chân không bất thường:Các vấn đề về hệ thống hoặc thiết bị dẫn đến mức chân không không phù hợp hoặc quá trình khử khí không hoàn toàn. Ví dụ, nếu vùng bức xạ nhiệt trong quá trình niêm phong chân không quá lớn, dụng cụ xỏ lỗ khử khí có thể không chọc thủng túi một cách hiệu quả, dẫn đến việc chiết khí không hoàn toàn.

Việc ngăn chặn việc tạo ra khí bất thường đòi hỏi phải giải quyết cả quy trình thiết kế vật liệu và sản xuất.

Đầu tiên,Hệ thống vật liệu và chất điện phân phải được tối ưu hóa để đảm bảo hình thành màng điện phân rắn (SEI) đậm đặc, ổn định, tăng cường độ ổn định của vật liệu catốt và ức chế sự tạo khí bất thường.

Về xử lý bằng chất điện phân, một lượng nhỏ chất phụ gia tạo màng-thường được sử dụng để làm cho màng SEI đồng nhất và đậm đặc hơn. Điều này làm giảm việc tạo ra khí do bong ra và tái tạo màng SEI trong quá trình sử dụng pin, từ đó giảm thiểu hiện tượng phồng rộp; những phương pháp như vậy đã được ghi nhận trong nghiên cứu và áp dụng trong thực tế.

Nghiên cứu chỉ ra rằng các thành phần màng SEI được hình thành bởi EC (ethylene cacbonat) và VC (vinylene cacbonat) bao gồm các cacbonat lithium alkyl tuyến tính. Ở nhiệt độ cao, lithium alkyl cacbonat gắn với carbon quang hóa (LiC) không ổn định và phân hủy tạo ra khí (như CO2), dẫn đến phồng pin. Màng SEI được tạo thành bởi PS bao gồm lithium alkyl sulfonate; mặc dù màng có chứa các khiếm khuyết nhưng nó có cấu trúc hai chiều- nhất định và vẫn tương đối ổn định trên bề mặt LiC ngay cả ở nhiệt độ cao. Khi sử dụng kết hợp PS và VC, PS tạo thành cấu trúc hai chiều-bị lỗi trên bề mặt cực dương ở điện áp thấp hơn; khi điện áp tăng, VC tạo thành lithium alkyl cacbonat có cấu trúc tuyến tính-lắp đầy các khuyết tật trong cấu trúc hai-chiều, tạo ra màng SEI có cấu trúc mạng-ổn định trên LiC. Loại cấu trúc màng SEI này tăng cường đáng kể độ ổn định và ngăn chặn hiệu quả việc tạo khí do phân hủy màng.

Hơn nữa,tương tác giữa vật liệu catốt oxit lithium coban và chất điện phân dẫn đến các sản phẩm phân hủy xúc tác cho sự phân hủy dung môi điện phân. Do đó, việc áp dụng lớp phủ bề mặt cho vật liệu catốt không chỉ cải thiện độ ổn định cấu trúc mà còn giảm thiểu sự tiếp xúc giữa cực âm và chất điện phân, do đó làm giảm sự tạo ra khí do hoạt động phân hủy xúc tác của cực âm. Vì vậy, việc hình thành lớp phủ ổn định, nguyên vẹn trên bề mặt các hạt vật liệu catốt là một hướng phát triển chính hiện nay.

Acey Năng lượng mớichuyên cung cấp-các giải pháp một cửa cho dây chuyền lắp ráp bán{1}}tự động/hoàn toàn{2}}tự động của các bộ pin lithium được sử dụng trong ESS, UAV, E-Xe đạp, E-Xe tay ga, Dụng cụ điện, Xe hai/ba bánh, v.v. Nếu bạn là người mới trong ngành pin lithium ion và muốn xây dựng dây chuyền sản xuất pin lithium ion hoặc lithium ion của riêng mìnhdây chuyền lắp ráp pin, chúng tôi có thể cung cấp cho bạn sự hỗ trợ và hướng dẫn kỹ thuật chuyên nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi!

Liên hệ ngay