軟包鋰離子電池脹氣的原因

聚合物鋰離子電池芯采用的是鋁塑複合膜的包裝技術(shù)，當電池芯內(nèi)部由于異常化學反應的發(fā)生而出現(xiàn)氣體時，Pocket會被充起，電池芯鼓脹（有輕微鼓脹和嚴重鼓脹兩種情況），且不論外觀如何，電池芯的使用性能（Capacity、Cyclelife、C-rate等）會發(fā)生嚴重的失效，導致電池芯不能使用。脹氣會發(fā)生在生產(chǎn)過程中也會在客戶甚至最終用戶手中。當然，電池芯在化成啟動或Baking過程中會正常的出現(xiàn)一定量（一般很少）的氣體，這根據(jù)所使用的原材料而異，這種氣體在Degassing工序會被抽掉。

目前部分Model（一次封裝成型電池芯）通過添加V18溶劑來消除這種SEI層形成、相介面穩(wěn)按時所出現(xiàn)的氣體。但是由于工序異常所出現(xiàn)的氣體在Degassing前表面非常明顯或者Degassing后出現(xiàn)不能再消掉或者添加V18也不能消除。

這里簡要介紹工序異常出現(xiàn)氣體的原因：

1.封裝不良，由封裝不良所引起脹氣電池芯的比例已經(jīng)大大地降低。前面已經(jīng)介紹了引起Topsealing、Sidesealing和Degassing三邊封裝不良的原因，任何一邊封裝不良都會導致電池芯，表現(xiàn)以Topsealing和Degassing居多，Topsealing重要是Tab位密封不良，Degassing重要是分層（包括受電解液和凝膠影響導致PP與Al脫離）。封裝不良引起空氣中水分進入電池芯內(nèi)部，引起電解液分解出現(xiàn)氣體等。

2.Pocket表面破損，電池芯在流拉過程中，受到異常損壞或人為破環(huán)導致Pocket破損（如針孔）而使水分進入電池芯內(nèi)部。

3.角位破損，由于折邊角位鋁的特殊變形，氣袋晃動會扭曲角位導致Al破損（電池芯越大，氣袋越大，越易破損），失去對水的阻隔用途。可以在角位加皺紋膠或熱熔膠緩解。并且在頂封后的各工序禁止拿氣袋移動電池芯，更要注意操作方式防止老化板上電芯池的擺動。

4.電池芯內(nèi)部水含量超標，前面我們已經(jīng)介紹過對電池芯內(nèi)水含量有一定的要求，一旦水含量超標，電解液會失效在化成或Degassing后出現(xiàn)氣體。造成電池內(nèi)部水含量超標的原因重要有：電解液水含量超標，Baking后裸電芯水含量超標，乾燥房濕度超標。若懷疑水含量超標導致脹氣，可進行工序的追溯檢查。

5.化成流程異常，錯誤的化成流程會導致電池芯發(fā)生脹氣。

6.SEI膜不穩(wěn)定，電池芯在容量測試充放電過程中發(fā)射功能輕微脹氣。

7.過充、過放，由于流程或機器或保護板的異常，使電池芯被過充或過度放電，電池芯會發(fā)生嚴重鼓氣。

8.短路，由于操作失誤導致帶電電芯兩Tab接觸發(fā)生短路，電池芯會發(fā)生鼓氣同時電壓迅速下降，Tab會被燒黑。

9.內(nèi)部短路，電池芯內(nèi)部陰陽極短路導致電芯迅速放電發(fā)熱同時嚴重鼓氣。內(nèi)部短路的原因有很多種：設計問題；隔離膜收縮、捲曲、破損；Bi-cell錯位；毛刺刺穿隔離膜；夾具壓力過大；燙邊機過度擠壓等。例如曾經(jīng)由于寬度不足，燙邊機過度擠壓電芯實體導致陰陽極短路脹氣。

10.腐蝕，電池芯發(fā)生腐蝕，鋁層被反應消耗，失去對水的阻隔用途，發(fā)生脹氣。

11.真空抽氣異常，系統(tǒng)或機器的原因?qū)е抡婵斩犬惓egassing抽氣不徹底；VacuumSealing的熱輻射區(qū)過大，導致Degassing抽氣刺刀不能有效地刺破Pocket袋而導致抽氣不乾淨。

抑制異常產(chǎn)氣的措施

在正常電壓范圍內(nèi)，產(chǎn)氣量較少，而且大多為碳氫化合物，當有異常產(chǎn)氣發(fā)生時，會出現(xiàn)大量氣體，破壞電極界面結(jié)構(gòu)，導致電解液分解失效，嚴重時沖破封裝區(qū)造成漏液，腐蝕危險。抑制異常產(chǎn)氣要從材料設計和制造工藝兩方面著手。

首先要設計優(yōu)化材料及電解液體系，保證形成致密穩(wěn)定的SEI膜，提高正極材料的穩(wěn)定性，抑制異常產(chǎn)氣的發(fā)生。

針對電解液的處理常常采用添加少量的成膜添加劑的方法使SEI膜更均勻、致密，減少電池在使用過程中的SEI膜脫落和再生過程產(chǎn)氣導致電池鼓脹，相關研究已有報道并在實際中得到應用，如哈爾濱理工大學的成夙等報道，使用成膜添加劑VC可以減少電池氣脹現(xiàn)象。但研究多集中在單組分添加劑上，效果有限。華東理工大學的曹長河等人，采用VC與PS復合作為新型電解液成膜添加劑，取得了很好的效果，電池在高溫擱置和循環(huán)過程中產(chǎn)氣明顯減少。研究表明，EC、VC形成的SEI膜組分為線性烷基碳酸鋰，高溫下附在LiC的烷基碳酸鋰不穩(wěn)定，分解生成氣體（如CO2等）而出現(xiàn)電池鼓脹。而PS形成的SEI膜為烷基磺酸鋰，雖膜有缺陷，但存在著一定的二維結(jié)構(gòu)，附在LiC高溫下仍較穩(wěn)定。當VC和PS復合使用時，在電壓較低時PS在負極表面形成有缺陷的二維結(jié)構(gòu)，隨著電壓的升高VC在負極表面又形成線性結(jié)構(gòu)的烷基碳酸鋰，烷基碳酸鋰填充于二維結(jié)構(gòu)的缺陷中，形成穩(wěn)定附在LiC具有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的SEI膜。此種結(jié)構(gòu)的SEI膜大大提高了其穩(wěn)定性，可以有效抑制由于膜分解導致的產(chǎn)氣。

此外由于正極鈷酸鋰材料與電解液的相互用途，使其分解產(chǎn)物會催化電解液中溶劑分解，所以關于正極材料進行表面包覆，不但可以新增材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還可以減少正極與電解液的接觸，降低活性正極催化分解所出現(xiàn)的氣體。因此，正極材料顆粒表面形成穩(wěn)定完整的包覆層也是目前的一大發(fā)展方向。

其次要嚴格控制制造工藝過程參數(shù)，保證封裝可靠性，防止電池內(nèi)部水分過量引起的脹氣，控制方法如下：

（1）電芯卷繞完成后干燥充分，防止膜片中水分含量超標；

（2）嚴格控制真空烘烤后電芯到注液時間及干燥房濕度；

（3）保證注液手套箱密封性；

（4）控制電解液中水分和游離酸含量；

（5）規(guī)范電解液存儲環(huán)境及密封條件，防止電解液在使用及存放過程中進入過量水分；

（6）采用閉口加壓化成或者外置氣囊化成后抽真空封口排氣；

（7）采用多步化成和高溫擱置工藝，保證產(chǎn)氣完全；

（8）提高封裝可靠性。

脹氣的出現(xiàn)重要有正常化成產(chǎn)氣和異常產(chǎn)氣，要想抑制電池后期的異常產(chǎn)氣，要從材料設計優(yōu)化和工藝控制兩方面著手；選用具有穩(wěn)定完整包覆層的正極材料，阻隔電解液與正極反應分解，匹配具有成膜添加劑的電解液，有效保證SEI膜的穩(wěn)定性是抑制產(chǎn)氣發(fā)生的前提，工藝過程中要保證封裝可靠性，加強控制水及氧氣等體系敏感物質(zhì)進入電池內(nèi)部是有效解決電池脹氣的途徑。