Làm thế nào nhiều pin lithium polymer mở rộng về khối lượng?

Tôi đang thiết kế một thiết bị có pin lithium polymer nhỏ (4x12x30 mm, 120 mA-h). Trông như thế này:

Tôi đã nghe nói rằng có một quy tắc nhỏ là không gian còn lại của pin trong trường hợp phải lớn hơn khoảng 10% (tôi cho rằng chủ yếu là độ dày) so với kích thước danh nghĩa để cho phép mở rộng. Thêm 10% có vẻ khá lớn.

1. Trường hợp này quy tắc của ngón tay cái đến từ đâu? Có bất kỳ khuyến nghị chính thức nào cho một ngăn lớn để đặt các tế bào lithium polymer vào không?

2. Làm thế nào nhiều pin này mở rộng và co lại trong sử dụng bình thường? Ví dụ: trong các chu kỳ sạc / xả, chu kỳ nhiệt độ trên phạm vi nhiệt độ bình thường (-20C đến 60C), v.v.

3. Điều gì xảy ra nếu pin nằm trong một ngăn cứng trong trường hợp hỏng hóc? Điều khá phổ biến là pin sẽ "hết pin" nếu chúng bị thiếu pin bên trong, nhưng điều gì xảy ra nếu pin nằm trong ngăn ngăn cản sự giãn nở? (Giả sử khoang đủ mạnh để chịu được áp lực tích tụ) Áp lực / tường có làm cho ngắn hơn hay tốt hơn không?

Bài báo này đã đo một tế bào, họ đã báo cáo mức mở rộng tối đa 0,5% trong một chu kỳ sạc:

Nguồn: Sự mở rộng của pin tế bào túi lithium Ion: Quan sát từ hình ảnh neutron Hình 7

Trong suốt vòng đời của pin, nó bị sưng hơn 1,5%

Nguồn: Sự mở rộng của pin tế bào túi lithium Ion: Quan sát từ hình ảnh neutron Hình 9

Người ta có thể sử dụng những con số này cho một đường cơ sở, nhưng không khó để thực hiện các phép đo này ở mức độ hợp lý. Vì pin được sản xuất với các kết hợp anode \ cathode và chất điện phân khác nhau tùy theo nhà sản xuất, nên sẽ hỏi ý kiến ​​nhà sản xuất về độ phồng hoặc đo.

Nếu bạn thực sự muốn tìm hiểu xem pin của bạn bị sưng bao nhiêu, hãy lấy micromet và đo lượng pin đã xả, sau đó đo nó được sạc đầy và xem sự khác biệt là gì. Đo tế bào dưới mức xả tối đa, bởi vì các tế bào phình ra nhiều hơn với sự giãn nở nhiệt. Cung cấp cho bạn biên lợi nhuận bổ sung của bạn để giải thích cho sự khác biệt về pin và dung sai sản xuất.

Các tế bào cũng phình ra nhiều hơn ở giữa nếu chúng được làm nóng sau đó bên ngoài. Vì vậy, hãy chắc chắn rằng bạn đo giữa tế bào.

Nguồn: https://www.researchgate.net/publication/283720424_A_nigs_thermal_swelling_model_for_a_recharg_lithium-ion_battery_cell

Cần có sự phân biệt giữa sự giãn nở / co rút điện cực không thể tránh khỏi do điện hóa của chính các điện cực ở cấp độ nano (được trình bày bởi lapto2d) và "sưng / phồng pin" của các tế bào loại túi (được trình bày bởi K.Krull) phân hủy / điện phân chất điện phân, đó là dấu hiệu của sự cố và / hoặc chất lượng sản xuất kém của một tế bào.

Liên quan đến phồng, có một số giả thuyết về nó, nhưng có vẻ như nguyên nhân chính là do sự phân hủy chất điện phân và sự tích tụ kim loại khi các tế bào bị bỏ lại trong tình trạng gần như bị thải ra quá lâu.

Vấn đề sản xuất có liên quan đến quá trình sản xuất, trong đó các tế bào được "hình thành" trước khi được niêm phong , để cho chất điện phân thoát ra ngoài. Nếu việc tạo hình được thực hiện cẩu thả / quá nhanh, việc bán vẫn có một số tích tụ khí và sẽ phồng lên theo thời gian.

Rõ ràng sự mở rộng tế bào tổng thể trong thực tế là sự kết hợp của hai hiệu ứng và một số nghiên cứu về các tế bào được làm tốt cho thấy sự mở rộng lên đến 4% sau 50 chu kỳ, xem ấn phẩm này .

Mặc dù việc mở rộng độ dày điện cực 0,5% -1% là tự nhiên và có thể / nên được cung cấp với một số ngăn quá khổ của pin, việc phồng quá mức không thể đảo ngược là tiền đề nghiêm trọng dẫn đến sự cố thảm khốc. Tại một thời điểm trong việc xử lý các vấn đề của khách hàng, tôi nhận ra rằng sẽ rất có lợi nếu có cảm biến áp suất để phát hiện trạng thái này trước khi toàn bộ vỏ thiết bị bị xé toạc. Dường như ý tưởng này đã được cấp bằng sáng chế, US8717186B2 . Tôi thực sự khuyên bạn nên đặt một cảm biến áp suất bên trong thiết kế của bạn.

Mặc dù tôi không thể cạnh tranh với sự giàu có của các chi tiết được đưa ra trong các câu trả lời trước đó, tôi nghĩ rằng có thể hữu ích để cung cấp cho bạn một ví dụ tại sao không gian thừa này được sử dụng vì một lý do chính đáng.

Một Lipo không chỉ sưng lên trong quá trình hoạt động bình thường với nhiệt độ và sạc / xả, mà còn khi nó già đi. Có một cái nhìn về sự phân hủy chất điện phân để tìm hiểu thêm về hiện tượng này, nhưng cuối cùng nó bị phá vỡ để tạo ra các khí (chủ yếu là oxy) bên trong LiPo.
Chỉ để cung cấp cho bạn một ý tưởng về những gì bạn có thể mong đợi: Một pin 3,5 năm tuổi được sử dụng thường xuyên mà tôi đo được khi viết cái này được mở rộng từ 25 mm (theo người bán lại, không thể tìm thấy một bảng dữ liệu) đến gần 32mm, hơn 25% ! Tôi đoán các giá trị biểu dữ liệu không lạc quan như các giá trị bán lại, nhưng đây vẫn là một sự gia tăng tài chính, cần được tính đến trong khi thiết kế sản phẩm của bạn.

Nếu pin không có chỗ để phồng lên, nó sẽ trở thành nguy cơ cháy nổ và - trong trường hợp xấu nhất - thậm chí là nổ. Xem các bình luận bên dưới câu hỏi của bạn, điều này đã được KH mô tả chi tiết.