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汽車應急啓動電源鼓包原因分析

來源:恩凡汽車應急啓動電源 點擊: 發布時間:2019-05-06

汽車應急啓動電源也被也称作汽车启动宝,是一种专门救援汽车的应急工具,现在很多保险公司以及4S店等都使用它作为汽车救援工具。汽車應急啓動電源工作原理也很简单,就是在汽车抛锚、电瓶亏电等情况导致的无法启动是,能够为汽车应急打火,因此也博得了一大波受众人群好评。

但是最近客户反应,汽車應急啓動電源鼓包,那么汽車應急啓動電源鼓包到底是什么原因呢?这是因为汽車應急啓動電源内部使用的高倍率锂离子电池,锂离子电池具有高寿命、容量高、可持续循环等特点被广泛推广使用,不过随着使用时间延长,其存在鼓胀、安全性能不理想和循环衰减加快的问题也日益严重,引起了锂电界深度的分析和抑制研究。

汽車應急啓動電源.jpg

一般我们将汽車應急啓動電源鼓包的原因分为两类:一是内置锂电池极片的厚度变化导致的鼓包;二是由于电解液氧化分解产气导致的鼓包。在不同的电池体系中,电池厚度变化的主导因素不同,如在钛酸锂负极体系电池中,鼓包的主要因素是气鼓;在石墨负极体系中,极片厚度和产气对电池的鼓包均起到促进作用。

一、锂電池電極極片厚度變化

在锂電池使用過程中,電極極片厚度會發生一定的厚度變化,尤其是石墨負極。據數據顯示,锂電池經過高溫存儲和循環,容易發生鼓脹,厚度增長率約6%~20%,其中正極膨脹率僅爲4%,負極膨脹率在20%以上。

锂電池極片厚度變大導致的鼓脹根本原因是受石墨的本質影響,負極石墨在嵌锂時形成LiCx(LiC24、LiC12和LiC6等),晶格間距變化,導致形成微觀內應力,使負極産生膨脹。下圖是石墨負極極片在放置、充放電過程中的結構變化示意圖。

电池充放电过程结构变化示意图

石墨負極的膨脹主要是嵌锂後産生不可恢複膨脹導致的。這部分膨脹主要與顆粒尺寸、粘接劑劑及極片的結構有關。

負極的膨脹造成卷芯變形,使電極與隔膜間形成空洞,負極顆粒形成微裂紋,固體電解質相界面(SEI)膜發生破裂與重組,消耗電解液,使循環性能變差。影響負極極片變厚的因素有很多,粘接劑的性質和極片的結構參數是最重要的兩個。

石墨負極常用的粘接劑是SBR,不同的粘接劑彈性模量、機械強度不同,對極片的厚度影響也不同。極片塗布完成後的軋制力也影響負極極片在電池使用中的厚度。在相同的應力下,粘接劑彈性模量越大,極片物理擱置反彈越小;充電時,由于Li+嵌入,使石墨晶格膨脹;

同時,因負極顆粒及SBR的形變,內應力完全釋放,使負極膨脹率急劇升高,SBR處于塑性變形階段。這部分膨脹率與SBR的彈性模量和斷裂強度有關,導致SBR的彈性模量和斷裂強度越大,造成不可逆的膨脹越小。

當SBR的添加量不一致時,極片輥壓時受到的壓力就不同,壓力不同使極片産生的殘余應力存在一定差別,壓力越大殘余應力越大,導致前期物理擱置膨脹、滿電態及空電態膨脹率增大;SBR含量越少,輥壓時所受壓力越小,前期的物理擱置、滿電態和空電態的膨脹率就越小;負極膨脹使得卷芯變形,影響負極嵌锂程度和Li+擴散速率,進而對電池循環性能産生嚴重影響。

二、锂電池內部産氣引起的鼓包

锂离子电池内部产气是导致汽車應急啓動電源鼓包的另一重要原因,无论是电池在常温循环、高温循环、高温搁置时,其均会有不同程度的鼓胀产气。据目前研究结果显示,引起电芯胀气的本质是电解液发生分解所致。

汽車應急啓動電源内部图

電解液分解有兩種情況,一個是電解液有雜質,比如水分和金屬雜質使電解液分解産氣,另一個是電解液的電化學窗口太低,造成了充電過程中的分解,電解液中的EC、DEC等溶劑在得到電子後,均會産生自由基,自由基反應的直接後果就是産生低沸點的烴類、酯類、醚類和CO2等。

在锂電池組裝完成後,預化成過程中會産生少量氣體,這些氣體是不可避免的,也是所謂的電芯不可逆容量損失來源。在首次充放電過程中,電子由外電路到達負極後會與負極表面的電解液發生氧化還原反應,生成氣體。在此過程中,在石墨負極表面形成SEI,隨著SEI厚度增加,電子無法穿透抑制了電解液的持續氧化分解。

在電池使用過程中,內部産氣量會逐漸增多,其原因還是因爲電解液中存在雜質或電池內水分超標導致的。電解液存在雜質需要認真排除,水分控制不嚴可能是電解液本身、電池封裝不嚴引進水分、角位破損引起的,另外電池的過充過放濫用、內部短路等也會加速電池的産氣速度,造成電池失效。

在不同體系中,電池鼓包程度不同。在石墨負極體系電池中,産氣鼓包的原因主要還是如上所述的SEI膜生成、電芯內水分超標、化成流程異常、封裝不良等,而在钛酸锂負極體系中,電池脹氣比石墨/NCM電池體系要嚴重的多,除了電解液中雜質、水分及工藝外,其另一不同于石墨負極的原因是钛酸锂無法像石墨負極體系電池一樣,在其表面形成SEI膜,抑制其與電解液的反應。

當把钛酸锂單獨浸泡于電解液中時,只有CO2産生,其與NCM材料制備成電池後,産生的氣體包括H2、CO2、CO以及少量氣態碳氫化合物,並且作成電池後,只有在循環充放電時,才會産生H2,同時産生的氣體中,H2的含量超過50%。這表明在充放電過程中將産生H2和CO氣體。

目前抑制钛酸锂電池脹氣的解決方案主要有三種,第一、LTO負極材料的加工改性,包括改進制備方法和表面改性等;第二、開發與LTO負極相匹配的電解液,包括添加劑、溶劑體系;第三、提高電池的工藝技術。只要掌握了以上方法,汽車應急啓動電源鼓包幾率會有所降低。

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