软包聚合物锂电池鼓胀原因分析
来源：宝鄂实业
2021-12-29 12:40
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一、电极极片厚度改变
石墨负极胀大影响要素及机理讨论
锂离子电池在充电进程中电芯厚度增加首要归结为负极的胀大，正极胀大率仅为2~4%，负极通常由石墨、粘接剂、导电碳组成，其间石墨资料本身的胀大率达到~10%，构成石墨负极胀大率改变的首要影响要素包含：SEI膜构成、荷电状态(stateofcharge，SOC)、工艺参数以及其他影响要素。
(1)SEI膜构成锂离子电池初次充放电进程中,电解液在石墨颗粒在固液相界面发生复原反响,构成一层覆盖于电极资料外表的钝化层(SEI膜)，SEI膜的发生使阳极厚度显着增加，而且因为SEI膜发生，导致电芯厚度增加约4%。从长时间循环进程看，依据不同石墨的物理结构和比外表，循环进程会发生SEI的溶解和新SEI生产的动态进程，比方片状石墨较球状石墨有更大的胀大率。
(2)荷电状态电芯在循环进程中，石墨阳极体积胀大与电芯SOC呈很好的周期性的函数关系，即随着锂离子在石墨中的不断嵌入(电芯SOC的进步)体积逐步胀大，当锂离子从石墨阳极脱出时，电芯SOC逐步减小，相应石墨阳极体积逐步缩小。
(3)工艺参数从工艺参数方面看，压实密度对石墨阳极影响较大，极片冷压进程中，石墨阳极膜层中发生较大的压应力，这种应力在极片后续高温烘烤等工序很难完全开释。电芯进行循环充放电时，因为锂离子的嵌入和脱出、电解液对粘接剂溶胀等多个要素一起作用，膜片应力在循环进程得到开释，胀大率增大。另一方面，压实密度巨细决定了阳极膜层空地容量巨细，膜层中孔隙容量大，能够有用吸收极片胀大的体积，空地容量小，当极片胀大时，没有满足的空间吸收胀大所发生的体积，此刻，胀大只能向膜层外部胀大，表现为阳极片的体积胀大。
(4)其他要素粘接剂的粘接强度(粘接剂、石墨颗粒、导电碳以及集流体相互间界面的粘接强度)，充放电倍率，粘接剂与电解液的溶胀性，石墨颗粒的形状及其堆积密度，以及粘接剂在循环进程失效引起的极片体积增加等，均对阳极胀大有必定程度的影响。
图2(a)、(b)能够看出,电芯满充后,阳极片在X/Y/Z方向的胀大率随着压实密度增大而增大。当压实密度从1.5g/cm3进步到1.7g/cm3时,X/Y方向胀大率从0.7%增大到1.3%,Z方向胀大率从13%增大到18%。从图2(a)能够看出,不同压实密度下,X方向胀大率均大于Y方向,呈现此现象的原因首要是由极片冷压工序导致,在冷压进程中,极片经过压辊时,依据阻力最小定律,资料遭到外力作用时,资料质点将沿着抵抗力最小的方向活动.
负极片冷压时,阻力最小的方向为MD方向(极片的Y方向,如图3所示),应力在MD方向更容易开释,而TD方向(极片的X方向)阻力较大,辊压进程应力不易开释,TD方向应力较MD方向大。故导致电极片满充后,X方向胀大率大于Y方向胀大率.另一方面,压实密度增大,极片孔隙容量下降(如图4所示),当充电时，阳极膜层内部没有满足的空间吸收石墨胀大的体积,外在表现为极片全体向X、Y、Z三个方向胀大。
涂布质量从0.140g/1，540.25mm2增大到0.190g/1，540.25mm2，X方向胀大率从0.84%增大到1.15%，Y方向胀大率从0.89%增大到1.05%,Z方向胀大率趋势与X/Y方向改变趋势相反,呈下降趋势,从16.02%下降到13.77%。阐明石墨阳极胀大在X、Y、Z三个方向呈现此起彼伏的改变规律,涂布质量改变首要体现在膜层厚度的显着改变。以上负极改变规律与文献成果共同，即集流体厚度与膜层厚度比值越小,集流体中应力越大。
选取铜箔厚度和涂布质量两个影响因子,铜箔厚度水平分别取6和8μm,阳极涂布质量分别为0.140g/1、540.25mm2和0.190g/1、540.25mm2,压实密度均为1.6g/cm3,各组试验其他条件均相同,试验成果如图5所示。从图5(a)、(c)能够看出,两种不同涂布质量下,在X/Y方向8μm铜箔阳极片胀大率均小于6μm,阐明铜箔厚度增加,因为其弹性模量增加(见图6),即抗变形才能增强,对阳极胀大束缚作用增强,胀大率减小。
依据文献，相同涂布质量下,铜箔厚度增加时,集流体厚度与膜层厚度比值增加,集流体中的应力变小,极片胀大率变小。而在Z方向,胀大率改变趋势完全相反,从图5(b)能够看出,铜箔厚度增加,胀大率增加;从图5(b)、(d)对比能够看出,当涂布质量从0.140g/1、540.25mm2增加到0.190g/1，540.25mm2时,铜箔厚度增加,胀大率减小。铜箔厚度增加,虽然有利于下降本身应力(强度高),但会增加膜层中的应力,导致Z方向胀大率增加,如图5(b)所示;随着涂布质量增加,厚铜箔虽然对膜层应力增加有促进作用,但一起对膜层的束缚才能也增强,此刻束缚力更加显着,Z方向胀大率减小。
选用5种不同类型的石墨进行试验(见表2),涂布质量0.165g/1，540.25mm2，压实密度1.6g/cm3，铜箔厚度8μm,其他条件相同,试验成果如图7所示。从图7(a)能够看出,不同石墨在X/Y方向胀大率差异较大,最小0.27%,最大1.14%,Z方向胀大率最小15.44%,最大17.47%,X/Y方向胀大大的,在Z方向胀巨细,同剖析的成果共同。其间选用A-1石墨的电芯呈现严峻变形,变形比率20%,其他各组电芯未呈现变形,阐明X/Y胀大率巨细对电芯变形有显着影响。
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