Насколько литий-полимерные батареи увеличиваются в объеме?

12

Я разрабатываю устройство с небольшой литий-полимерной батареей (4x12x30 мм, 120 мА-ч). Выглядит так:

введите описание изображения здесь

Я слышал, что есть эмпирическое правило, что место, оставленное для батареи в корпусе, должно быть примерно на 10% больше (я полагаю, в основном по толщине), чем номинальные размеры, чтобы учесть расширение. Дополнительные 10% кажутся довольно большими.

  1. Откуда это эмпирическое правило? Есть ли официальная рекомендация о том, каков большой отсек для размещения литий-полимерных элементов?

  2. Насколько эти батареи расширяются и сжимаются при обычном использовании? Например, во время циклов зарядки / разрядки, температурных циклов в нормальном температурном диапазоне (от -20 ° C до 60 ° C) и т. Д.

  3. Что произойдет, если аккумулятор окажется в жестком отсеке в случае неисправности? Батареи «выдыхаются», если они внутренне замкнуты, довольно часто, но что произойдет, если батарея находится в отсеке, который предотвращает расширение? (Предположим, что отсек достаточно прочен, чтобы выдержать повышение давления). Давление / стенки делают короткое хуже или лучше?

Алекс я
источник
1
В газетах, которые я читал, это был анод или катод, который набухал на 10%, так что я думаю, что это 10%.
напряжения
1
@mkeith Я думаю, что самое важное - это провести тестирование на себя или получить его у производителя. Это не сложно сделать, просто нужен набор микрометров и способ зарядки и разрядки
Voltage Spike
1
Что касается надутых батарей, батарея должна быть рассчитана либо на расширение, либо на вентиляцию. Аккумуляторы типа сумок, подобные той, что изображена на вашей фотографии, расширяются, жесткие оболочки, как вентиляционные отверстия 18650-х годов Для предотвращения катастрофического отказа должна быть предусмотрена точка отказа, поэтому, если вы проектируете что-либо с батареей типа сумки, по возможности, поместите точки неисправности в корпус, чтобы убедиться, что он откроется / расколется, если сумка батареи расширится, и не допустите близлежащие формы, которые пробьют расширяющуюся батарею. Только в том случае, если невозможно расширить корпус, необходимо указать точку отказа, чтобы обеспечить выход из корпуса.
KH
1
Большая часть этого в основном предотвращает взрыв огня. Если используется тип батареи, которая должна вентилироваться, т.е. IE 18650, то корпус должен также иметь возможность вентилировать или расширяться. Слабое место в пластике, резиновая / мягкая клеевая пробка или защелкивающиеся натянутые крючки - все это допустимо Как ни странно, в этом году я использовал Samsung Galaxy S6 до тех пор, пока батарея не удерживала только заряд, достаточный для питания телефона в течение примерно 2 минут. Я использую жизнеустойчивые чехлы, которые водонепроницаемы, поэтому полностью герметичны, а спереди и сзади зажимаются и удерживаются вместе с довольно значительной силой.
KH
1
Когда я наконец нашел способ заменить его и открыл внешний корпус, без сильного давления, когда он удерживал телефон вместе, передняя и задняя крышки были сняты прямо с рамы расширяющейся батареей (расчетная точка отказа), так что я можете предоставить фото или два на ваш вопрос, если хотите. Обратите внимание, что, несмотря на сжатие, водонепроницаемый корпус имеет достаточные точки отказа, как если бы аккумулятор действительно вентилировал (расширяется настолько, чтобы выскочить), крышка USB-порта, крышка гнезда для наушников и различные тонкие мембраны открывались / выходили из строя, взрыв.
KH

Ответы:

13

Эта статья измеряла ячейку, они сообщили о максимальном расширении на 0,5% за цикл зарядки:

введите описание изображения здесь Источник: Расширение литий-ионных аккумуляторов: наблюдения с помощью нейтронной визуализации. Рисунок 7

За время жизни батареи она набухла более чем на 1,5%

введите описание изображения здесь
Источник: Расширение литий-ионных аккумуляторов: наблюдения с помощью нейтронной визуализации. Рисунок 9

Можно использовать эти числа для базовой линии, но это не так сложно сделать эти измерения в разумной степени. Поскольку батареи изготавливаются с различными комбинациями анод / катод и электролит, которые варьируются от производителя к производителю, было бы целесообразно проконсультироваться с производителем по поводу набухания или измерить его.

Если вы действительно хотите выяснить, насколько сильно разбухает ваша батарея, возьмите микрометр и измерьте его разрядку, затем измерьте его полностью заряженным и посмотрите, в чем разница. Измерьте ячейку при максимальном разряде, потому что ячейки набухают больше с тепловым расширением. Дайте себе дополнительную маржу для учета различий в батареях и производственных допусках.

Клетки также более выпуклые в середине, если они нагреты, то снаружи. Поэтому убедитесь, что вы измеряете середину ячейки.

введите описание изображения здесь
Источник: https://www.researchgate.net/publication/283720424_A_novel_thermal_swelling_model_for_a_rechargeable_lithium-ion_battery_cell

Скачок напряжения
источник
2

Должно быть проведено различие между неизбежным расширением / сжатием электродов из-за электрохимии самих электродов на наноскопическом уровне (который был представлен lapto2d), и «набуханием / набуханием» батарей типа мешочка (представленным К.Круллом) из-за разложение / выделение электролита, что является признаком неисправности и / или низкого качества изготовления элемента.

Что касается затяжек, то существует несколько теорий об этом, но похоже, что основной причиной является некоторое разложение электролита и накопление металла, когда элементы остаются в состоянии почти чрезмерной разрядки в течение длительного времени.

Производственная проблема связана с производственным процессом, где ячейки «формируются» перед запечатыванием , позволяя электролиту выходить из газа. Если формирование выполняется неаккуратно / слишком быстро, продажи все равно будут накапливать газ и со временем пыхнут.

Очевидно, что общее расширение клеток на практике представляет собой комбинацию двух эффектов, и некоторые исследования хорошо сделанных клеток показывают увеличение до 4% после 50 циклов, см. Эту публикацию .

В то время как увеличение толщины электрода на 0,5% -1% является естественным и может / должно быть учтено при некотором увеличении размера батарейного отсека, чрезмерное необратимое вспучивание является серьезным предшественником катастрофического отказа. В какой-то момент, решая проблемы клиента, я понял, что было бы очень полезно иметь датчик давления, чтобы обнаружить это состояние, прежде чем весь корпус устройства будет разорван. Похоже, что эта идея уже запатентована, US8717186B2 . Я настоятельно рекомендую установить датчик давления внутри вашего дизайна.

Ale..chenski
источник
1

Хотя я не могу конкурировать с большим количеством деталей, приведенных в предыдущих ответах, я думаю, что было бы полезно привести пример, почему это дополнительное пространство используется по уважительной причине.

Lipo не только набухает при нормальной работе с температурой и зарядкой / разрядкой, но и при старении. Посмотрите на разложение электролита, чтобы узнать больше об этом явлении, но в конечном итоге это приводит к образованию газов (в основном кислорода) внутри LiPo.
Просто чтобы дать вам представление о том, что вы можете ожидать: часто используемая 3,5-летняя батарея, которую я измерил во время написания, увеличилась с 25 мм (по словам реселлера, не смог найти таблицу данных) до почти 32 мм, что составляет более 25%. ! Я полагаю, что данные таблицы не столь оптимистичны, как у реселлера, но все же это существенный рост, который следует учитывать при разработке вашего продукта.

Если у батареи нет места для разбухания, это может привести к пожару и, в худшем случае, даже к взрыву. Смотрите комментарии ниже вашего вопроса, это было подробно описано KH.

К. Крулл
источник
Хм, что это за батарея? 25 мм это много для ячейки мешочка, ты имеешь в виду 2,5 мм? Кажется ли это пышным? Я думаю, что типичный допуск на толщину ячейки составляет почти 0,5 мм.
Алекс 1
Я говорил о 4S 2200mAh LiPo-батарее, используемой для радиоуправляемых автомобилей и мультикоптеров, большой вариант вашей маленькой одиночной батареи (25 мм предназначены). Это еще не пыхтело, но я не рекомендовал бы использовать это больше. Я вырыл немного глубже и нашел старую батарею 1S, которая очень похожа на вашу. Он тоже выглядит опухшим, но не таким ужасным, как большой. К сожалению, я не могу сказать вам численно, поскольку я не знаю, насколько он был толстым изначально.
К. Крулл