На скільки літієві полімерні батареї розширюються в об'ємі?

Я проектую пристрій з невеликим літієвим полімерним акумулятором (4х12х30 мм, 120 мА-год). Виглядає так:

Я чув, що існує правило, що місця, яке залишається для батареї у футлярі, має бути приблизно на 10% більшим (я вважаю, головним чином, товщиною), ніж номінальні розміри, щоб дозволити розширення. Додаткові 10% здаються досить великими.

1. Звідки походить це правило? Чи є офіційна рекомендація щодо того, наскільки велике відділення для розміщення літієвих полімерних комірок?

2. На скільки ці батареї розширюються та стискаються при звичайному використанні? Наприклад, під час циклів зарядки / розрядки, температурних циклів за нормального діапазону температур (від -20 ° C до 60 ° C) і т.д.

3. Що станеться, якщо акумулятор знаходиться у жорсткому відсіку у разі несправності? Досить поширеним є те, що батареї "вихлюпуються", якщо вони внутрішньо скорочуються, але що станеться, якщо акумулятор знаходиться у відділенні, що запобігає розширенню? (Припустимо, що відсік є достатньо міцним, щоб витримати накопичення тиску) Чи тиск / стінки робляться коротшими, або покращуються?

Цей документ вимірював комірку, вони повідомляли про максимальне 0,5% розширення за цикл заряду:

Джерело: Розширення клітинних батарей літієво-іонного мішечка: спостереження з нейтронного зображення Рисунок 7

За час експлуатації батареї вона набрякла понад 1,5%

Джерело: Розширення клітинних батарей літієво-іонних мішечків: спостереження від нейтронних зображень Рисунок 9

Можна було б використовувати ці цифри для базової лінії, але не так важко зробити ці вимірювання розумною мірою. Оскільки батареї виготовлені з різними комбінаціями анод / катод та електроліти, які відрізняються від виробника до виробника, було б розумно проконсультуватися з виробником щодо набухання або вимірювання.

Якщо ви дійсно хочете дізнатись, наскільки набрякає ваш акумулятор, дістаньте мікрометр і виміряйте його розрядження, а потім виміряйте його повністю зарядженим і подивіться, у чому різниця. Виміряйте клітинку при максимальному розряді, оскільки клітини набрякають більше при тепловому розширенні. Надайте собі додатковий запас для врахування відмінностей у акумуляторах та відхиленнях від виробництва.

Клітини також випинаються більше посередині, якщо вони нагріваються, то зовні. Тому переконайтеся, що ви вимірюєте середину комірки.

Джерело: https://www.researchgate.net/publication/283720424_A_novel_thermal_swelling_model_for_a_rechargeable_lithium-ion_battery_cell

Слід розрізняти неминуче розширення / стиснення електродів за рахунок електрохімії самих електродів на наноскопічному рівні (що було представлено lapto2d) та "набухання / роздуття акумуляторів" клітин-мішків (представлене К.Круллом) через розкладання / гасіння електролітів, що є ознакою несправності та / або низької якості виготовлення клітини.

Щодо пухирців, то існує кілька теорій про це, але, схоже, основною причиною є деякий розпад електролітів та накопичення металу, коли клітини тривалий час залишаються у майже перевантаженому стані.

Виробниче питання пов'язане з виробничим процесом, коли клітини "формуються" перед герметизацією , дозволяючи електроліту витікати. Якщо формування проводиться неохайно / занадто швидко, продавець все ще має деяке накопичення газу і з часом буде наддуватися.

Очевидно, загальне розширення клітин на практиці - це поєднання двох ефектів, і деякі дослідження добре виготовлених клітин демонструють розширення до 4% після 50 циклів, дивіться у цій публікації .

Незважаючи на те, що 0,5% -1% розширення товщини електрода є природним і може / повинен розміщуватися з великим розміром відсіку акумуляторних батарей, надмірне незворотне роздуття є серйозним попередником катастрофічних збоїв. Одного разу, розглядаючи питання клієнта, я зрозумів, що було б дуже вигідно мати датчик тиску для виявлення цього стану до того, як розірветься вся справа пристрою. Схоже, ця ідея вже запатентована, US8717186B2 . Настійно рекомендую помістити датчик тиску всередині вашої конструкції.

Хоча я не можу скласти конкуренцію багатству деталей, наведених у попередніх відповідях, я думаю, що це може бути корисним для того, щоб навести приклад, чому цей великий простір використовується з вагомих причин.

Lipo не набрякає не лише під час нормальної роботи з температурою та зарядкою / розрядом, але й у віці. Подивіться на розклад електроліту, щоб дізнатися більше про це явище, але в кінцевому підсумку воно руйнується до створення газів (переважно кисню) всередині LiPo.
Просто для того, щоб дати вам уявлення про те, що ви можете очікувати: Часто використовуваний 3,5-річний акумулятор, який я вимірював під час написання, розширився з 25 мм (за даними продавця, не вдалося знайти таблицю) до майже 32 мм, що становить понад 25% ! Я думаю, що дані аркуша не такі оптимістичні, як ті, що продаються, але все-таки це суттєве збільшення, яке слід враховувати при розробці продукту.

Якщо в акумуляторі немає місця для набухання, це стане можливим ризиком пожежі і - в гіршому випадку - навіть вибуху. Дивіться коментарі нижче вашого запитання, це було детально описано KH.