O ile objętościowo rosną akumulatory litowo-polimerowe?

Projektuję urządzenie z małą baterią litowo-polimerową (4x12x30 mm, 120 mA-h). Wygląda tak:

Słyszałem, że istnieje ogólna zasada, że ​​przestrzeń pozostawiona na akumulator w skrzynce powinna być o około 10% większa (przypuszczam przede wszystkim o grubości) niż wymiary nominalne, aby umożliwić ekspansję. Dodatkowe 10% wydaje się dość duże.

1. Skąd bierze się ta ogólna zasada? Czy istnieje jakakolwiek oficjalna rekomendacja dotycząca wielkości komory na ogniwa litowo-polimerowe?

2. Jak bardzo te baterie rozszerzają się i kurczą podczas normalnego użytkowania? Na przykład podczas cykli ładowania / rozładowania, cykle temperatur powyżej normalnego zakresu temperatur (od -20 ° C do 60 ° C) itp.

3. Co się stanie, jeśli akumulator znajdzie się w sztywnym przedziale w przypadku awarii? Dość często zdarza się, że akumulatory „zaciągają się”, jeśli ulegną wewnętrznemu zwarciu, ale co się stanie, jeśli akumulator znajduje się w komorze, która zapobiega rozszerzaniu? (Załóżmy, że przedział jest wystarczająco silny, aby wytrzymać wzrost ciśnienia) Czy ciśnienie / ściany pogarszają zwarcie, czy też poprawiają?

W tym artykule zmierzono ogniwo, odnotowano maksimum 0,5% ekspansji w cyklu ładowania:

Źródło: Rozszerzenie baterii ogniw litowo-jonowych: obserwacje z obrazowania neutronowego Ryc. 7

Przez cały okres użytkowania baterii pęczniał o ponad 1,5%

Źródło: Rozszerzenie baterii ogniw litowo-jonowych: obserwacje z obrazowania neutronowego Ryc. 9

Można użyć tych liczb jako wartości wyjściowej, ale nie jest tak trudno dokonać tych pomiarów w rozsądnym stopniu. Ponieważ akumulatory są wykonane z różnymi kombinacjami anoda \ katoda i elektrolit, które różnią się w zależności od producenta, rozsądnie byłoby skonsultować się z producentem w sprawie spęcznienia lub zmierzyć go.

Jeśli naprawdę chcesz dowiedzieć się, jak bardzo pęcznieje akumulator, zdobądź mikrometr i zmierz jego rozładowanie, a następnie zmierz go w pełni naładowany i zobacz, jaka jest różnica. Zmierz ogniwo przy maksymalnym rozładowaniu, ponieważ ogniwa pęcznieją bardziej w wyniku rozszerzalności cieplnej. Daj sobie dodatkowy margines, aby uwzględnić różnice w bateriach i tolerancjach produkcyjnych.

Komórki również wybrzuszają się bardziej na środku, jeśli są ogrzewane, niż na zewnątrz. Upewnij się więc, że mierzysz środek komórki.

Źródło: https://www.researchgate.net/publication/283720424_A_novel_thermal_swelling_model_for_a_rechargeable_lithium-ion_battery_cell

Należy wprowadzić rozróżnienie między nieuchronnym rozszerzaniem / kurczeniem się elektrod z powodu elektrochemii samych elektrod na poziomie nanoskopowym (co zostało przedstawione przez lapto2d), a „pęcznieniem / zaciąganiem się” ogniw typu kieszonkowego (przedstawionymi przez K.Krull) z powodu rozkład / odgazowanie elektrolitu, co jest oznaką nieprawidłowego działania i / lub niskiej jakości wytwarzania ogniwa.

Jeśli chodzi o zaciąganie się, istnieje kilka teorii na ten temat, ale wygląda na to, że główną przyczyną jest pewien rozkład elektrolitu i nagromadzenie metalu, gdy komórki pozostają w stanie prawie nadmiernego rozładowania przez długi czas.

Problem produkcyjny związany jest z procesem produkcyjnym, w którym ogniwa są „formowane” przed uszczelnieniem , co pozwala na uwolnienie elektrolitu. Jeśli formowanie odbywa się niechlujnie / zbyt szybko, sprzedaż nadal ma pewne nagromadzenie gazu i będzie się zaciągać w miarę upływu czasu.

Oczywiście całkowita ekspansja komórek w praktyce jest połączeniem dwóch efektów, a niektóre badania dobrze wykonanych komórek wykazują ekspansję do 4% po 50 cyklach, patrz ta publikacja .

Podczas gdy rozszerzanie się elektrody o 0,5% -1% jest naturalne i może / powinno być uwzględnione z pewną przewymiarowaną komorą baterii, nadmierne nieodwracalne zaciągnięcie jest poważnym prekursorem katastrofalnej awarii. W pewnym momencie zajmując się problemami klienta, zdałem sobie sprawę, że bardzo korzystne byłoby posiadanie czujnika ciśnienia do wykrywania tego stanu, zanim cała obudowa urządzenia zostanie rozerwana. Wygląda na to, że pomysł ten jest już opatentowany, US8717186B2 . Zdecydowanie polecam umieścić czujnik ciśnienia w swoim projekcie.

Chociaż nie jestem w stanie konkurować z bogactwem szczegółów podanych w poprzednich odpowiedziach, myślę, że pomocne może być podanie przykładu, dlaczego ta dodatkowa przestrzeń jest wykorzystywana nie bez powodu.

Lipo pęcznieje nie tylko podczas normalnej pracy z temperaturą i ładowaniem / rozładowaniem, ale także, gdy się starzeje. Poszukaj rozkładu elektrolitu, aby dowiedzieć się więcej o tym zjawisku, ale ostatecznie rozkłada się on na tworzenie gazów (głównie tlenu) wewnątrz LiPo.
Aby dać ci wyobrażenie o tym, czego możesz się spodziewać: często używana 3,5-letnia bateria, którą zmierzyłem podczas pisania, rozszerzyła się z 25 mm (według sprzedawcy nie mogę znaleźć arkusza danych) do prawie 32 mm, co stanowi ponad 25% ! Sądzę, że wartości arkusza danych nie są tak optymistyczne, jak wartości sprzedawcy, ale nadal jest to znaczny wzrost, który należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu produktu.

Jeśli akumulator nie ma miejsca na pęcznienie, stanie się możliwe ryzyko pożaru, aw najgorszym przypadku nawet wybuchu. Zobacz komentarze poniżej pytania, które zostało szczegółowo opisane przez KH.