软包锂电池“胀气”原因简明总结—诚思品
2025-06-23
聚合物锂离子电池采用铝塑复合膜技术进行封装。当电池内部因异常化学反应产生气体时,电池包会充气膨胀,导致电池鼓包(分为轻微鼓包和严重鼓包两种情况)。电池性能(容量、循环寿命、放电倍率等)可能严重受损,导致电池无法使用。鼓包现象可能发生在生产过程中,也可能发生在客户手中,甚至最终用户使用期间。当然,在电芯活化启动或烘烤过程中产生一定量的气体(通常极少)是正常的,这取决于所使用的原材料,而这些气体会在脱气过程中被排出。
目前,部分型号(初级封装电池)在制造过程中已添加V18溶剂,旨在形成SEI层并稳定相界面时消除该气体。然而,由于工艺异常,该气体在脱气前或脱气后仍清晰可见于表面,且无法消除,或无法通过添加V18来消除。

以下是对工艺异常导致气体产生原因的简要说明:
1. 因密封不良导致的电池压扁现象已大幅减少。关于顶部、侧面及排气侧密封不良的原因,前文已有阐述。排气现象主要表现为分层(包括受电解液和凝胶影响导致的聚丙烯与铝箔分离)。密封不良会导致空气中的水分进入电池内部,从而引发电解液分解并产生气体等现象
2. 插座表面破损,即电池在流动和拉拔过程中发生异常损坏,或环形部件被人为破坏,导致插座破损(例如出现针孔),从而使水分渗入电池内部。
3. 角部破裂:由于折边处铝箔的特殊变形,气囊的晃动会导致角部变形,从而造成铝箔破裂(电池单元越大,气囊越大,越容易破裂),从而丧失对水的阻隔效果。可在角部添加皱纹胶或热熔胶以缓解此问题。此外,在顶部封口后的每个工序中,严禁抓握气囊搬运电池,并应更加注意操作方式,以防止电池在老化板上晃动。
4. 一旦水分含量超过标准,电解液在化学处理或脱气后将无法产生气体。电池内部水分过多的主要原因包括:电解液中水分过多、烘烤后裸电池中水分过多,以及干燥室湿度过高。如果怀疑是水分含量导致气体不足,可对工艺流程进行可追溯性检查。
5. 活化过程异常。活化过程不当会导致电池单体胀气。
6. SEI 薄膜不稳定,在容量测试的充放电过程中,电池单元出现轻微胀气。
7. 过充和过放:若因工艺、设备或保护电路异常导致电池单体过充或过放,电池单体将发生严重的鼓包现象。
8. 短路:由于操作失误导致充电中的电池单元两极片之间发生短路,电池单元会鼓包,同时电压急剧下降,且极片会被烧黑。
9. 内部短路,电池单元的内部阴极和阳极发生短路,导致电池单元快速放电、发热并产生大量气体。内部短路可能由多种因素引起:设计问题;隔离膜收缩、卷曲和破裂;双极电池对齐不当;毛刺刺穿隔离膜;夹具压力过大;边缘冲压机挤压过度等。
10. 腐蚀,即电池芯腐蚀,铝层因反应被消耗,失去对水的阻隔作用,从而产生气体。
11. 真空抽气异常,系统或设备导致真空异常,脱气抽气不完全;真空封口热辐射区过大,导致脱气抽气管无法有效刺穿内袋,从而造成抽气不完全。
在正常电压范围内,产生的气体量较少,且主要为烃类气体。当发生异常产气时,会产生大量气体,这会破坏电极界面结构,导致电解液分解失效;严重时甚至会穿透封装区域,引发泄漏和危险的腐蚀。要抑制异常产气,需要结合材料设计与制造工艺。

第一步是设计和优化材料及电解液体系,以确保形成致密且稳定的SEI膜,从而提高正极材料的稳定性并抑制异常气体产生。
在电解液处理过程中,通常会添加少量成膜助剂,以使SEI膜更加均匀致密,从而减少因使用过程中SEI膜脱落以及再生过程中产气导致的电池鼓包现象。然而,大多数研究主要关注单组分助剂,其效果有限。华东理工大学的曹长和等人将VC和PS化合物作为新型电解液成膜添加剂,取得了良好的效果,显著减少了电池在高温静置和循环过程中的气体产生。
研究表明,由 EC 和 VC 形成的 SEI 膜成分为线性锂烷基碳酸盐,附着在 LiC 上的烷基锂碳酸盐在高温下不稳定,会分解产生气体(如 CO2 等)并导致电池鼓包。由 PS 形成的 SEI 膜是烷基锂磺酸盐,虽然膜有缺陷,但具有一定的二维结构,附着在 LiC 上时在高温下仍然稳定。
当VC和PS共同使用时,在低电压下,PS会在负极表面形成缺陷的二维结构;随着电压升高,VC会在负极表面形成碳酸烷基锂的线性结构,该结构填充了二维结构中的缺陷,并与LiC结合形成具有网状结构的稳定SEI膜。这种SEI膜结构极大地提高了其稳定性,并能有效抑制因膜分解产生的气体。
此外,正极钴酸锂材料与电解液之间的相互作用会导致其分解产物催化电解液中溶剂的分解,因此正极材料的表面包覆不仅能提高材料的结构稳定性,还能减少正极与电解液的接触,从而降低活性正极催化分解产生的气体。因此,在负极材料颗粒表面形成稳定且完整的包覆层,也是当前的一个主要发展方向。
其次,应严格控制制造工艺参数,以确保电池包的可靠性,并防止电池内部因湿度过高而导致膨胀,具体控制方法如下:
(1) 电池卷绕完成后进行充分干燥,以防止隔膜含水过高;
(2) 严格控制真空烘烤后从电池移出到注液的时间,以及干燥室内的湿度;
(3) 确保注液手套箱的密封性;
(4) 控制电解液中的水分和游离酸含量;
(5) 规范电解液的储存环境和密封条件,防止使用和储存过程中过量水分进入电解液;
(6) 采用封闭式加压活化或外部气囊活化,随后进行真空密封和排气;
(7) 采用多步活化及高温搁置工艺,确保气体充分产生;
(8) 提高电池包的可靠性。
为了抑制电池后期阶段的异常产气现象,必须从两个方面着手:材料设计优化和工艺控制;选择具有稳定且完整涂层的正极材料,阻断电解液与正极之间的分解反应,配合含成膜助剂的电解液,并有效确保SEI膜的稳定性,这些都是抑制产气的先决条件。工艺上应确保封装的可靠性,并加强控制水分、氧气等系统敏感物质进入电池,这是有效解决电池胀气的途径。






2025-06-23 