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百盈能源/友飛翔技術的鋰電池電芯工程師分析電池氣脹的原因

鋰離子電池從上世紀九十年代開始商業化生產,到如今早已步入尋常百姓的日常生活之中,我們所用的手機、平板電腦、智能手錶、VR眼鏡、數碼相機等等隨身攜帶的電子產品,幾乎都要用到鋰離子電池。

鋰離子電池本身也由早期的鋁殼包裝、鋼殼包裝,發展到後來的軟性包裝,由於軟性包裝的鋰離子電池其外形尺寸設計更加的靈活,安全性能更加的優越,而受到更多應用場景的青睞。

然而軟性包裝的鋰離子電池比起鋁殼鋼殼電池更容易氣脹,這卻是個不爭的事實。

 

電池氣脹的原因


軟包鋰離子電池發生氣脹的主要原因有:

1、過充電。鋰離子電池在過充電的狀態下,正極(陽極)材料會脫出過多的鋰離子,使得其正常的晶體結構坍塌,電化學性能不穩定,易在正極產生氧氣,而氧氣又會與電解液溶劑發生反應生成二氧化碳和水,水分又會與電解液溶劑和鋰鹽進一步反應生成更多的二氧化碳和氫氟酸。

 

電池過充電


2、過放電。鋰離子電池在過放電的狀態下,SEI(固液相膜)會分解與電解液溶劑產生烷烴類氣體,使得電池氣脹,特別是電池過放電後繼續充電,負極與電解液會重新生成新的SEI膜,也會產生烷烴類氣體。

 

電池過放電


3、高溫。鋰離子電池使用的上限溫度通常為55~60℃,有些特殊高溫電池的上限溫度達到80~85℃的高溫。如果鋰離子電池超過了上限溫度,內部電解液會分解產氣,SEI(固液相膜)會分解產氣,SEI(固液相膜)再生過程也會產氣。

4、水分的侵入。軟包鋰離子電池的包裝膜為鋁塑膜,它主要是由內層CPP、中層Al、外層尼龍組成,厚度約為0.088~0.152mm。其主要功能就是防止鋰離子電池受到外界的水分和氧氣的入侵和絕緣的作用。軟包鋰離子電池的極耳,主要由金屬帶和極耳膠組成。極耳膠和鋁塑膜CPP層通過高溫融合,達到密封的效果。如果鋁塑膜出現破損、封裝不良、電化學腐蝕以及極耳短路產生局部高溫使得金屬帶與極耳膠脫離,此時外界水分就會進入到電池內部,引起電池的氣脹。

關於電化學腐蝕,其基本原理是負極與鋁塑膜鋁層形成了電子通路,同時鋁塑膜鋁層與電解液直接形成離子通路。二者共同作用,使得Cu//電解液//Al 形成了原電池,Al的電極電位比負極的Cu更低,Al層作為該原電池的陽極失去了電子變為Al3+,溶解到電解液當中,從外面看鋁塑膜封邊處出現很多黑點,就是Al層被腐蝕掉的現象,電池失去了鋁塑膜對氧氣和水分的阻隔,發生氣脹。

 

電池電極耳胶


通常電子導通容易發生在電池頂封工序;離子導通容易發生在鋁塑膜的沖壓成型和熱封裝時對CPP的破壞。前者通過封裝後的阻值測試可以篩選,後者則在生產工序中沒有合適的方法進行篩選。所以在使用過程中也要避免外部線路當中的負極與鋁塑膜斷層處鋁層的接觸​​,來防止電化學腐蝕。

綜上所述,我們在使用鋰離子電池的時候,需要用到合適的保護電路來避免電池的過充電、過放電和短路,而且要盡量避免電池表面接觸到尖銳的物品造成鋁塑膜的劃傷,才能有效的避免電池氣脹的發生。



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