引起軟包鋰離子電池鼓脹的原因有很多。根據實驗研發經驗,筆者將鋰電池鼓脹的原因分為三類,一是電池極片在循環過程中膨脹導致的厚度增加;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。在不同的電池體系中,電池厚度變化的主導因素不同,如在鈦酸鋰負極體系電池中,鼓脹的主要因素是氣鼓;在石墨負極體系中,極片厚度和產氣對電池的鼓脹均起到促進作用。
鋰離子電池在充電過程中電芯厚度增加主要歸結為負極的膨脹,正極膨脹率僅為2~4%,負極通常由石墨、粘接劑、導電碳組成,其中石墨材料本身的膨脹率達到~10%,造成石墨負極膨脹率變化的主要影響因素包括:SEI膜形成、荷電狀態(stateofge,SOC)、工藝參數以及其他影響因素。
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。在不同體系中,電池產鼓脹程度不同。
1.封裝不良,由封裝不良所引起脹氣電池芯的比例已經大大地降低。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。
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導致Pocket破損(如針孔)而使水分進入電池芯內部。
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.電池芯內部水含量超標,一旦水含量超標,電解液會失效在化成或Degassing后產生氣體。
5.化成流程異常,錯誤的化成流程會導致電池芯發生脹氣。
6.SEI膜不穩定,電池芯在容量測試充放電過程中發射功能輕微脹氣。
7.過充、過放,由于流程或機器或保護板的異常,使電池芯被過充或過度放電,電池芯會發生嚴重鼓氣。
8.短路,由于操作失誤導致帶電電芯兩Tab接觸發生短路,電池芯會發生鼓氣同時電壓迅速下降,Tab會被燒黑。
9.內部短路,電池芯內部陰陽極短路導致電芯迅速放電發熱同時嚴重鼓氣。內部短路的原因有很多種:設計問題;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;燙邊機過度擠壓等。
10.腐蝕,電池芯發生腐蝕,鋁層被反應消耗,失去對水的阻隔作用,發生脹氣。
11.真空抽氣異常,系統或機器的原因導致真空度異常Degassing抽氣不徹底;VacuumSealing的熱輻射區過大,導致Degassing抽氣刺刀不能有效地刺破Pocket袋而導致抽氣不干凈。
抑制異常產氣需要從材料設計和制造工藝兩方面著手。
首先要設計優化材料及電解液體系,保證形成致密穩定的SEI膜,提高正極材料的穩定性,抑制異常產氣的發生。
此外由于正極鈷酸鋰材料與電解液的相互作用,使其分解產物會催化電解液中溶劑分解,所以對于正極材料進行表面包覆,不但可以增加材料的結構穩定性,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生的氣體。因此,正極材料顆粒表面形成穩定完整的包覆層也是目前的一大發展方向。