锂离子电池膨胀的三种原因分析

本文主要来源为学堂在线《锂离子电池材料与技术》学习笔记  

锂离子电池由于具有高寿命、高容量而被广泛使用，但是随着使用时间的延长，其存在的膨胀、安全性能不良、循环衰减加快问题也逐渐严重。  

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本文讨论锂离子电池膨胀的原因。根据课程介绍，在不同的电池体系中，电池膨胀的主导因素不同，本文主要讨论石墨负极体系锂离子电池膨胀的原因。   目前，相关研究认为锂离子电池膨胀的原因主要有三种： （1）电池极片的厚度变化导致的膨胀 （2）电解液氧化分解产气导致的膨胀

（3）工艺缺陷导致的膨胀  

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1、电池极片的厚度变化

电池充电过程中，锂离子从正极材料脱出，嵌入到负极材料中。正极材料脱锂后层间距变小，负极材料嵌锂后层间距变大。因为负极材料的体积变化大于正极材料体积变化，所以锂离子电池在电池充电过程中电芯（电池去除外壳和保护电路的结构）厚度变厚。   电池放电过程中，锂离子从负极材料脱出，嵌入到正极材料中。负极材料脱锂后层间距变小，正极材料嵌锂后层间距变大。因为负极材料的体积变化大于正极材料体积变化，所以锂离子电池在电池放电过程中电芯厚度变薄。

  综上，锂离子电池充放电过程中，电芯（电芯结构组成包括电池极片）厚度会发生变化。参与充放电循环的锂离子数量越多，电池体积变化越大。   根据现有研究数据，锂离子电池经过高温存储和循环，容易发生膨胀，厚度增长率大概率处于6-20%之间，其中正极膨胀率约4%，负极膨胀率超过20%。 此外，锂离子电池充放电次数的增加可能导致SEI膜（在电极片表面生成的可以让锂离子通过，不让电子通过的膜）的厚度逐渐增大，也可能导致电芯厚度增加。

 

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2、电解液氧化分解产气

  电池内部产气是导致电池膨胀的另一个原因。电池在常温循环、高温循环、高温搁置时，均会发生不同程度的膨胀产气现象。   根据目前研究结果显示，引起电芯（电池内部）胀气（产气）的原因是电解液发生分解（电解液氧化分解产气）。  

电解液分解的原因有两种：

  （1）电解液含有杂质。如水分和金属杂质的存在会使电解液分解产气。  

（2）电解液电化学窗口（根据网络资料理解：电解液不发生反应的电池电压最大值）低造成充电过程中的分解。电解液中EC（碳酸二乙酯）、DEC（碳酸乙烯酯）等溶剂在得到电子后，均会产生自由基（具有不成对电子的原子或基团）。自由基反应产生低沸点的烃类、酯类、醚类、二氧化碳等，对电池的循环、倍率等性能造成影响。  

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3、工艺缺陷

电池封装不良、角位破损、Pocket（个人理解：锂离子电池的软包装）表面破损等会使水分进入电芯内部，可能引起电解液分解产生气体。   除此之外，化成工序异常（根据网络资料理解：对锂离子电池进行小电流的预充放电）、SEI膜不稳定等工艺缺陷也会导致电芯发生膨胀现象。  

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编辑：黄飞