Γιατί οι μπαταρίες λιθίου διογκώνονται;

Η διόγκωση (γνωστή και ως πρήξιμο) είναι ένα συχνό φαινόμενο στην αστοχία της μπαταρίας λιθίου, που εγκυμονεί κινδύνους για την ασφάλεια (όπως πυρκαγιά ή έκρηξη) και συνήθως απαιτεί άμεση διακοπή της χρήσης.

Η ουσία της διόγκωσης είναι η παραγωγή υπερβολικού αερίου στο εσωτερικό της μπαταρίας, που οδηγεί σε αυξημένη πίεση και παραμόρφωση του περιβλήματος ή των εσωτερικών κυψελών. Αυτό είναι σύνηθες στις μπαταρίες θήκης. Ελαφρώς περισσότερη παραγωγή αερίου σε πρισματικές μπαταρίες μπορεί να οδηγήσει σε χαμηλό πάχος μπαταρίας και σε σοβαρές περιπτώσεις μπορεί να προκαλέσει το άνοιγμα της βαλβίδας αντιεκρηκτικής-αντίστασης.

Οι αιτίες της διόγκωσης της μπαταρίας περιλαμβάνουν:

1.1 Αποσύνθεση ηλεκτρολυτών

Υπερφόρτιση:Όταν η τάση είναι πολύ υψηλή, η δομή του θετικού υλικού του ηλεκτροδίου γίνεται ασταθής, απελευθερώνοντας ενεργό οξυγόνο, το οποίο αντιδρά βίαια με τον ηλεκτρολύτη, δημιουργώντας μεγάλη ποσότητα θερμότητας και αερίου (όπως CO2, CO).

Περιβάλλον υψηλής- θερμοκρασίας:Οι οργανικοί διαλύτες στον ηλεκτρολύτη (όπως τα ανθρακικά) αποσυντίθενται εύκολα και παράγουν αέριο σε υψηλές θερμοκρασίες.

1.2 Αποσύνθεση και αναγέννηση φιλμ SEI

Κατά τη διάρκεια του κανονικού κύκλου, η διεπαφή στερεού ηλεκτρολύτη (φίλμ SEI) στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου θα επισκευαστεί ελαφρώς, καταναλώνοντας ηλεκτρολύτη και παράγοντας μικρή ποσότητα αερίου. Υπό υπερφόρτιση ή υψηλές θερμοκρασίες, το φιλμ SEI αποσυντίθεται σημαντικά, εκθέτοντας το αρνητικό ηλεκτρόδιο (π.χ. γραφίτη) το οποίο αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη για να δημιουργήσει υδρογόνο και αέρια αλκανίων.

1.3 Αντίδραση ακαθαρσίας υγρασίας

Εάν εισαχθεί υγρασία κατά την παραγωγή, τα άλατα λιθίου στον ηλεκτρολύτη (π.χ. LiPF6) θα αντιδράσουν με το νερό για να δημιουργήσουν HF (διαβρωτικό) και υδρογόνο, οδηγώντας σε διόγκωση και υλική ζημιά.

1.4 Αρνητική επιμετάλλωση με ηλεκτρόδιο λιθίου

Κατά τη διάρκεια φόρτισης χαμηλής-θερμοκρασίας, υψηλής-φόρτισης ρεύματος ή γήρανσης αρνητικού ηλεκτροδίου, τα ιόντα λιθίου ενδέχεται να αναχθούν απευθείας σε μεταλλικό λίθιο στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου (επιμετάλλωση λιθίου) αντί να ενσωματωθούν στο στρώμα γραφίτη.

Το μεταλλικό λίθιο αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη για να δημιουργήσει αέρια όπως το υδρογόνο και μπορεί επίσης να τρυπήσει τον διαχωριστή, προκαλώντας βραχυκύκλωμα.

Τα παραπάνω περιγράφουν τους λόγους για τους οποίους οι μπαταρίες διογκώνονται, που είναι οι κύριες αιτίες (μηχανισμοί) παραγωγής αερίου. Η παραγωγή φυσικού αερίου είναι αναπόφευκτη. Ακόμη και με τέλειο σχεδιασμό, βέλτιστη επιλογή υλικών και σχολαστικές διαδικασίες κατασκευής, οι μπαταρίες θα παράγουν αέριο. Μικροποσότητες αερίου είναι αποδεκτές και ο εσωτερικός χώρος της μπαταρίας μπορεί να τις φιλοξενήσει.

Ωστόσο, τα παράλογα ελαττώματα σχεδιασμού και κατασκευής μπορούν να επιταχύνουν την παραγωγή αερίου και η ακατάλληλη χρήση της μπαταρίας θα επιταχύνει επίσης την παραγωγή αερίου. Τα ακόλουθα παρουσιάζουν κυρίως τα προβλήματα παραγωγής αερίου που προκαλούνται από αυτούς τους παράγοντες.

2.1 Ζητήματα Παραγωγικής Διαδικασίας

Ο ακατάλληλος έλεγχος της υγρασίας στο περιβάλλον παραγωγής οδηγεί σε υπερβολική υγρασία στο εσωτερικό του στοιχείου της μπαταρίας.

Η ανομοιόμορφη επίστρωση ηλεκτροδίων και η κακή ευθυγράμμιση της περιέλιξης/στοίβαξης μπορεί να προκαλέσουν τοπική συγκέντρωση τάσεων ή κινδύνους βραχυκυκλώματος-.

ACEY-HFC250μηχανή επίστρωσης ηλεκτροδίωνχρησιμοποιούνται ευρέως στην έρευνα για διάφορες μεμβράνες επίστρωσης υψηλής{{0} θερμοκρασίας, συμπεριλαμβανομένων των κεραμικών, των κρυσταλλικών δομών, των υλικών μπαταριών και των εξειδικευμένων νανοϋλικών.

Η κακή ενθυλάκωση οδηγεί σε διαρροή αερίου ή κακή σφράγιση.

2.2 Ελαττώματα υλικού (διαχωριστής)

Η κακή ποιότητα (ανομοιόμορφο πορώδες, χαμηλή μηχανική αντοχή) το κάνει επιρρεπές σε συρρίκνωση ή σχίσιμο.

Η ακατάλληλη σύνθεση πρόσθετου ηλεκτρολυτών έχει ως αποτέλεσμα κακές ιδιότητες σχηματισμού φιλμ-.

2.3 Βλάβη βαλβίδας ασφαλείας

Ορισμένες μαλακές-συσκευασίες ή κυλινδρικές μπαταρίες έχουν κακώς σχεδιασμένες βαλβίδες ασφαλείας που δεν μπορούν να απελευθερώσουν έγκαιρα την πίεση όταν ανέβει.

3.1 Υπερφόρτιση/Αποφόρτιση

Υπερφόρτιση:Η θετική δομή του ηλεκτροδίου καταρρέει, παράγοντας οξυγόνο και επιταχύνοντας την αποσύνθεση των ηλεκτρολυτών.

Υπερ-εκφόρτιση (χαμηλή τάση):Ο συλλέκτης ρεύματος χαλκού στο αρνητικό ηλεκτρόδιο διαλύεται, οδηγώντας σε βραχυκυκλώματα και παραγωγή αερίου.

3.2 Υψηλή-Θερμοκρασία περιβάλλοντος

Η παρατεταμένη έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες (όπως το άμεσο ηλιακό φως ή οι υψηλές θερμοκρασίες μέσα σε ένα όχημα) προκαλεί εκθετική αύξηση του ρυθμού των πλευρικών αντιδράσεων.

Η φόρτιση και η εκφόρτιση με υψηλό-ρεύμα οδηγεί σε εσωτερική συσσώρευση θερμότητας.

3.3 Μηχανική βλάβη

Η συμπίεση, η διάτρηση ή η πτώση μπορεί να προκαλέσει εσωτερική δομική παραμόρφωση, οδηγώντας σε μικρο-βραχυκυκλώματα ή διαρροή ηλεκτρολυτών.

3.4 Μακροχρόνια αποθήκευση σε αδράνεια

Η αποθήκευση της μπαταρίας για παρατεταμένες περιόδους σε υπερβολικά υψηλά ή χαμηλά επίπεδα φόρτισης προκαλεί τη συνέχιση των πλευρικών αντιδράσεωναργά, σταδιακά παράγοντας αέριο.