การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่บวม

ปัจจุบันนี้ มีการใช้อุปกรณ์ต่างๆ มากขึ้นกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในชีวิตประจำวัน และมักพบอาการแบตเตอรี่บวม การบวมเล็กน้อยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะส่งผลต่อการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าและลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ในกรณีที่รุนแรง อลูมิเนียมฟอยล์บรรจุภัณฑ์จะแตก รั่วไหล อันตรายจากการกัดกร่อนของของเหลว บทความนี้จะแนะนำประเภทของเซลล์แบตเตอรี่ เหตุใดของแบตเตอรี่บวม และผลกระทบสำหรับแบตเตอรี่บวมต่อโมดูลแบตเตอรี่และระบบแบตเตอรี่

การจำแนกรูปร่างของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่สามารถโหลดเข้าไปในรถได้ในที่สุดผ่านการรวมกันของสามระดับ – เซลล์แบตเตอรี่ โมดูลแบตเตอรี่ และชุดแบตเตอรี่ เซลล์แบตเตอรี่เป็นหน่วยพื้นฐานของชุดแบตเตอรี่และชุดแบตเตอรี่ เช่นเดียวกับสี่เหลี่ยมเล็กๆ ทุกเซลล์ใน Tetris เซลล์เดี่ยวจะจัดเรียงเป็นชุดต่างๆ และเชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนาน จากนั้นโมดูลจะถูกสร้างขึ้นโดยการเชื่อมด้วยความต้านทาน การเชื่อมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง เลเซอร์ การเชื่อม ฯลฯ จัดกลุ่มหรือสร้างชุดแบตเตอรี่แบบไม่มีโมดูลโดยตรง

บทความแบตเตอรี่ลิเธียมมีกี่ชนิดได้แนะนำประเภทของแบต นอกจากนี้ยังสามารถแบ่งตามรูปร่างของแบต ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบหลักของชุดแบตเตอรี่ ปัจจุบันการจัดประเภทรูปร่างของเซลล์แบตเตอรี่แบ่งออกเป็นสามประเภทใหญ่ ๆ ได้แก่ สี่เหลี่ยม ทรงกระบอก และแบตเตอรี่โพลิเมอร์ รูปร่างที่แตกต่างกันมีผลค่อนข้างต่างกันในเรื่องความปลอดภัยและการใช้พื้นที่ภายในก้อนแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ทรงกระบอกและแบตเตอรี่สี่เหลี่ยมเป็นสองประเภทที่บริษัทแบตเตอรี่และบริษัทรถยนต์ใช้กันอย่างแพร่หลาย ในขณะที่แบตเตอรี่โพลิเมอร์จะใช้ไม่บ่อยนักเนื่องจากปัญหาการบวม

ทำไมเซลล์แบตเตอรี่ถึงจะบวม

ทำไมเซลล์แบตเตอรี่บวม ส่วนการบวมของเซลล์แบตเตอรี่แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ประเภทหนึ่งคือส่วนการบวมระหว่างกระบวนการผลิต และอีกประเภทคือส่วนการบวมระหว่างการใช้งาน

ในกระบวนการผลิตแบตเตอรี่มีกระบวนการที่เรียกว่า กระบวนการก่อ กระบวนการนี้เทียบเท่ากับการเปิดโทรศัพท์มือถือเครื่องใหม่หรือคอมพิวเตอร์เครื่องใหม่เป็นครั้งแรกเพื่อกระตุ้นวัสดุที่ใช้งานอยู่ภายในแบตเตอรี่ ในกระบวนการก่อตัว แบตเตอรี่ลิเธียมจะถูกชาร์จเป็นครั้งแรก และอิเล็กโทรไลต์จะผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชันบนผิวอิเล็กโทรด กระบวนการนี้จะสร้างฟิล์ม SEI และสร้างก๊าซ

อย่างไรก็ตาม ก๊าซเหล่านี้จะถูกเก็บไว้ชั่วคราวในถุงลมนิรภัยในระหว่างกระบวนการผลิตปกติ และจะไม่ส่งผลเสียต่อแบตเตอรี่เมื่อถูกปล่อยออกมาในกระบวนการที่ตามมา อย่างไรก็ตาม หากเกิดอุบัติเหตุในกระบวนการก่อตัวและก๊าซเกิดขึ้นหลังจากถอดและบรรจุถุงลมนิรภัยแล้ว ก๊าซจะไม่สามารถระบายออกได้ตามปกติและแบตเตอรี่จะพองขึ้น เมื่อก๊าซขยายตัวจนถึงจุดที่แรงดันภายในแบตเตอรี่สูงเกินไป จะทำให้เกิดแบตเตอรี่บวม การรั่วไหลของของเหลว และปรากฏการณ์อื่นๆ ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อการใช้งานของแบตเตอรี่อย่างจริงจัง

ปริมาณน้ำภายในเซลล์เกินมาตรฐาน

ระบบแบตเตอรี่ไวต่อน้ำมาก ปริมาณน้ำที่จำเป็นในกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ แต่ปริมาณน้ำที่มากเกินไปจะทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงภายในเซลล์แบตเตอรี่เพื่อผลิตก๊าซ

ข้อผิดพลาดของกระบวนการ

ตัวอย่างเช่น การบรรจุภัณฑ์ที่ไม่ดีจะทำให้ความชื้นในอากาศเข้าสู่ภายในเซลล์ ทำให้อิเล็กโทรไลต์สลายตัวและเกิดก๊าซ หรืออิเล็กโทรไลต์ถูกเติมก่อนที่ส่วนประกอบของแบตเตอรี่จะแห้งสนิท ทำให้ความชื้นเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์

การสร้างฟิล์ม SEI ของเซลล์ไม่เสถียร

การก่อตัวของฟิล์ม SEI ที่ยอดเยี่ยมและเสถียรสามารถป้องกันอิเล็กโทรไลต์จากการสลายตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากกระบวนการสร้างฟิล์ม SEI ไม่เสถียร ฟิล์ม SEI อาจถูกปรับโครงสร้างในรอบถัดไปและกระบวนการนี้จะมาพร้อมกับการเกิดก๊าซ

การลัดวงจรภายในของแบตเตอรี่

เมื่อเกิดการลัดวงจรภายใน อุณหภูมิภายในแบตเตอรี่จะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้อิเล็กโทรไลต์สลายตัว ไดอะแฟรมไหม้และเกิดคาร์บอน กระบวนการนี้จะทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมาก

นอกเหนือจากที่กล่าวมาแล้ว ยังมีสาเหตุอื่นๆ เช่น การชาร์จมากเกินไปและการคายประจุมากเกินไป การปั๊มที่ผิดปกติ และการกัดกร่อนของเซลล์แบตเตอรี่ซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่บวม ดังนั้น การระงับการเกิดก๊าซจึงไม่เพียงเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่โพลิเมอร์เท่านั้น แต่ยังเพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้อีกด้วย

ด้านหนึ่งคือการใช้วัสดุ เลือกวัสดุที่ดีกว่าเพื่อทำให้การก่อตัวของฟิล์ม SEI มีความเสถียรมากขึ้น ปรับปรุงคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์เพื่อหลีกเลี่ยงหรือลดปฏิกิริยากับน้ำให้น้อยที่สุด อีกประการหนึ่งคือการควบคุมกระบวนการผลิตอย่างเคร่งครัด ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการระบายออกอย่างทั่วถึง ควบคุมปริมาณน้ำภายใน และป้องกันปฏิกิริยาข้างเคียงระหว่างปริมาณน้ำและอิเล็กโทรไลต์ที่มากเกินไป

พูดตามตรงแล้ว การบวมของแบตเตอรี่โพลิเมอร์มีสาเหตุหลักมาจากรายละเอียดของกระบวนการผลิต การควบคุมกระบวนการผลิตอย่างเข้มงวดสามารถหลีกเลี่ยงการเกิดอาการบวมได้อย่างมาก ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

อิทธิพลของแบตเตอรี่บวมต่อโมดูลแบตเตอรี่และระบบแบตเตอรี่

การบวมของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจส่งผลอย่างมากต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ในระหว่างกระบวนการชาร์จ เมื่อ Li+ ได้รับอิเล็กตรอนในอิเล็กโทรดเชิงลบและถูกลดขนาดเป็นโครงสร้างเฟรมแบบชั้นซึ่งลิเธียมฝังอยู่ในอิเล็กโทรดลบกราไฟต์ จะเกิดโลหะผสมลิเธียมคาร์บอน ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความหนาของอิเล็กโทรดกราไฟต์

ในระหว่างกระบวนการคายประจุ ลิเธียมจะสูญเสียอิเล็กตรอนไปในรูปของลิเธียมไอออน และจากชั้นกราไฟต์จะหลุดออกจากรู และในเวลานี้ความหนาของแผ่นด้านล่างและแผ่นอิเล็กโทรดจะลดลงตามลำดับ เมื่อทำการชาร์จและคายประจุเป็นครั้งแรก ชั้นของฟิล์ม solid electrolyte interface (SEI) จะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของขั้วลบ ในระหว่างรอบการประจุและการคายประจุที่ตามมา ฟิล์ม SEI จะสร้างฟิล์ม SEI ใหม่หลังจากได้รับความเสียหาย ซึ่งจะทำให้ขั้วกราไฟต์บวมอย่างต่อเนื่อง

เนื่องจากปรากฏการณ์โพลาไรเซชัน ลิเธียมไอออนจึงไม่สามารถถูกกระตุ้นและฝังอยู่ในชั้นกราไฟต์ได้อย่างเต็มที่ ดังนั้น ไอออนลิเธียมจะถูกรีดิวซ์เพื่อสร้างลิเธียมเดนไดรต์บนพื้นผิวของขั้วลบ ลิเธียมที่อยู่ใกล้พื้นผิวของขั้วลบจะถูกออกซิไดซ์และดูดกลืนโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ส่งผลให้ dendrite ลิเธียมแตกและเกิด “ลิเธียมตาย” ค่อยๆ เพิ่มขึ้น

สาเหตุสำคัญอีกประการหนึ่งที่ทำให้แบตเตอรี่บวมคือการปล่อยก๊าซภายในแบตเตอรี่ ไม่ว่าแบตเตอรี่จะอยู่ในอุณหภูมิปกติหรือสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงก็ตาม การบวมจะเกิดขึ้นระหว่างการชาร์จและการคายประจุ สาเหตุของแบตเตอรี่บวมอาจเป็นเพราะอิเล็กโทรไลต์สลายตัวเพื่อสร้างก๊าซในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

การศึกษาแบตเตอรี่บวมและผลลัพธ์

นักวิจัยจาก CATL และทีมของศาสตราจารย์ Jiao Feipeng จาก Central South University ทำงานร่วมกันเพื่อศึกษาผลกระทบของแบตเตอรี่บวมต่อโมดูลแบตเตอรี่และระบบแบตเตอรี่ระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ในแง่หนึ่ง อิทธิพลของชิ้นขั้วจำนวนต่างๆ ต่อแรงการบวมแบตเตอรี่จะได้รับการตรวจสอบ จากนั้นจึงประกอบเป็นโมดูลแบตเตอรี่เพื่อศึกษาความแตกต่างในแบตเตอรี่บวมและอิทธิพลของแรงและแรงการบวมของโมดูลที่เกี่ยวข้องบนแบตเตอรี่ และอายุการใช้งานของโมดูล

ในทางกลับกัน การศึกษาผลของระดับการบวมของโซลูชันที่มีต่อการออกแบบโมดูลแบตเตอรี่ได้ถูกตรวจสอบ สามารถคำนวณความต้านทานแรงดึงของโมดูลผ่านการทดลอง และสามารถจำลองแรงการบวมของโมดูลได้ ในที่สุด แรงการบวมที่เกิดขึ้นระหว่างรอบการชาร์จ-ดิสชาร์จของโมดูลแบตเตอรี่ จะสามารถรับการกระจายความเค้นภายในโมดูลได้ เพื่อที่จะตรวจสอบว่ามีช่องโหว่ในโครงสร้างโมดูลแบตเตอรี่หรือไม่ และความแข็งแรงโดยรวมสามารถรองรับแรงดันได้หรือไม่ นำมาโดยการขยายโมดูล

จากการศึกษาพบว่า ยิ่งจำนวนอิเล็กโทรดมากขึ้น แรงการบวมก็จะยิ่งมากขึ้นและความเร็วในการบวมก็จะยิ่งเร็วขึ้น และความจุจะลดลงหลังจาก 1,000 รอบ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าแบตเตอรี่ที่มีแผ่นอิเล็กโทรดจำนวนมากจะสร้างแรงการบวมที่มากขึ้นในแบตเตอรี่โมดูลที่มีขนาดเท่ากัน

ดังนั้น ส่วนประกอบโครงสร้างแต่ละชิ้นจำเป็นต้องได้รับการออกแบบให้แข็งแรงขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าโมดูลมีความปลอดภัย เชื่อถือได้ และทนทาน แบตเตอรี่แบบโมดูลที่มีชิ้นขั้วมากขึ้นจะทำให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลงเร็วขึ้นเนื่องจากแรงการบวมที่แรงกว่า ดังนั้นควรสำรองโมดูลการป้องกันเพิ่มเติมเพื่อป้องกันแรงการบวมที่มากเกินไปเพื่อปรับปรุงอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์