Pęcznienie baterii litowych jest krytyczną kwestią wpływającą na urządzenia, od smartfonów po pojazdy elektryczne. Zjawisko to nie tylko pogarsza wydajność baterii, ale także budzi poważne obawy dotyczące bezpieczeństwa, w tym wycieki, pożary lub eksplozje. Zrozumienie podstawowych przyczyn pęcznienia baterii litowych jest niezbędne dla producentów i użytkowników w celu ograniczenia ryzyka i wydłużenia żywotności baterii. W tym artykule omówiono naukowe, operacyjne i środowiskowe czynniki stojące za tym zjawiskiem, poparte danymi i badaniami. Aby uzyskać informacje na temat utylizacji spuchniętych baterii litowych, proszę zapoznać się z tym artykułem: Jak pozbyć się spuchniętych baterii litowych？
Najczęstsze przyczyny Obrzęk baterii litowej
1. Rozkład elektrolitu i tworzenie się gazu
Rozkład elektrolitu jest jednym z głównych czynników przyczyniających się do pęcznienia baterii litowych. W ogniwie litowo-jonowym elektrolit jest odpowiedzialny za transport jonów litu między katodą a anodą podczas cykli ładowania i rozładowania. W normalnych warunkach pracy proces ten przebiega płynnie. Jednakże, gdy bateria jest narażona na czynniki stresowe - takie jak wysokie napięcie, przeładowanie lub podwyższona temperatura - rozpuszczalniki organiczne w elektrolicie (na przykład węglan etylenu) zaczynają się rozkładać.
Degradacja ta powoduje powstawanie różnych gazów, w tym dwutlenku węgla (CO₂), wodoru (H₂) i metanu (CH₄). Badania wskazują, że gazy te mogą stanowić do 60% nagromadzonego gazu w starzejących się ogniwach, przyczyniając się znacząco do wzrostu ciśnienia wewnętrznego. Wzrost ciśnienia nie tylko powoduje fizyczną ekspansję ogniwa, ale także zagraża integralności strukturalnej obudowy akumulatora. W poważnych przypadkach może to prowadzić do odpowietrzenia, wycieku, a nawet niekontrolowanego nagrzewania się akumulatora. Dodatkowo, zanieczyszczenia w elektrolicie mogą przyspieszyć te reakcje uboczne, jeszcze bardziej pogarszając sytuację.
2. Powlekanie litem i wzrost dendrytów
Powlekanie litem występuje, gdy jony litu, zamiast równomiernie interkalować w materiał anody (zazwyczaj grafit), osadzają się na powierzchni anody w postaci metalicznego litu. Jest to szczególnie powszechne podczas przeładowania lub szybkiego ładowania w niskich temperaturach, gdzie zmniejszona ruchliwość jonów uniemożliwia ich prawidłowe osadzenie w strukturze elektrody.
Z czasem te metaliczne osady mogą przekształcić się w dendryty - przypominające igły struktury krystaliczne, które mogą rosnąć wystarczająco długo, aby przebić separator między anodą a katodą. Kiedy dendryty przenikają przez tę barierę, tworzą wewnętrzne zwarcia, które skutkują zlokalizowanymi gorącymi punktami i dodatkowo przyspieszają niepożądane reakcje chemiczne w ogniwie. Reakcje te często wytwarzają dodatkowy gaz i ciepło, które przyczyniają się do pęcznienia. Zagrożenia dla bezpieczeństwa związane z tworzeniem się dendrytów są szczególnie dotkliwe, ponieważ mogą prowadzić do katastrofalnych awarii, w tym pożarów lub eksplozji, jeśli wewnętrzne zwarcie jest wystarczająco poważne.
3. Naprężenia mechaniczne i wady produkcyjne
Integralność strukturalna akumulatora litowo-jonowego zależy w dużej mierze od precyzji procesu produkcyjnego. Nawet drobne niedoskonałości - takie jak niewielkie niewspółosiowości elektrod, zanieczyszczenia lub niespójności w powłoce elektrod - mogą służyć jako słabe punkty w ogniwie. Podczas powtarzających się cykli ładowania i rozładowywania (często określanych jako "oddychanie" akumulatora), te słabe punkty są poddawane naprężeniom mechanicznym.
Te ciągłe naprężenia mechaniczne mogą prowadzić do powstawania mikropęknięć lub rozwarstwienia warstw elektrody. W miarę rozprzestrzeniania się tych defektów tworzą się kanały, w których mogą gromadzić się gazy wytwarzane w wyniku rozkładu elektrolitu lub innych reakcji ubocznych. W rzeczywistości, badania sugerują, że mikroskopijne wady produkcyjne mogą odpowiadać za 15-20% przypadków pęcznienia obserwowanych w akumulatorach komercyjnych. Poprawa precyzji produkcji i kontroli jakości ma zatem kluczowe znaczenie dla zminimalizowania tego ryzyka i zapewnienia długoterminowej niezawodności baterii.
4. Przeładowanie i nadmierne rozładowanie
Eksploatacja akumulatorów litowo-jonowych powyżej zalecanych limitów napięcia jest główną przyczyną ich degradacji. Przeładowanie wymusza nadmiar jonów litu w anodzie, co może prowadzić do wielu problemów, w tym deformacji strukturalnej, zwiększonej rezystancji wewnętrznej i przyspieszonego rozkładu chemicznego elektrolitu. Ten nadmierny napływ jonów litu obciąża materiał anody, powodując większe prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji ubocznych, które generują gaz.
I odwrotnie, nadmierne rozładowanie może być równie szkodliwe. Gdy napięcie akumulatora spadnie poniżej krytycznego progu, struktura katody może zostać naruszona i może dojść do nieodwracalnego uszkodzenia materiałów elektrod. Zarówno przeładowanie, jak i nadmierne rozładowanie zaburzają delikatną równowagę wewnętrznego składu chemicznego akumulatora. Dane z IEEE Power & Energy Society wskazuje, że nawet niewielkie przeładowanie - o zaledwie 5% - może zwiększyć prawdopodobieństwo pęcznienia o 40% w standardowych akumulatorach LiCoO₂. Te nienormalne warunki pracy torują również drogę do ucieczki termicznej, w której akumulator może się przegrzać i puchnąć w niekontrolowany sposób, stwarzając poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa.
5. Wysokie temperatury i słabe zarządzanie temperaturą
Temperatura odgrywa kluczową rolę w kondycji i stabilności akumulatora litowo-jonowego. Podczas pracy w temperaturze powyżej około 45°C wiele reakcji chemicznych zachodzących w akumulatorze ulega przyspieszeniu. Jednym ze szczególnie wrażliwych elementów jest warstwa międzyfazowa elektrolitu stałego (SEI) na anodzie. Ta warstwa ochronna, która tworzy się naturalnie podczas początkowych cykli, zaczyna ulegać degradacji w wysokich temperaturach. Rozpad SEI nie tylko naraża elektrodę na dalszą degradację, ale także zużywa dodatkowy elektrolit w procesie, co prowadzi do dalszego wytwarzania gazu.
Urządzenia ze słabym zarządzaniem termicznym - czy to z powodu nieodpowiednich systemów chłodzenia w pojazdach elektrycznych, laptopach czy innych urządzeniach elektronicznych - są szczególnie narażone. Bez odpowiedniego odprowadzania ciepła, temperatura akumulatora może szybko wzrosnąć, pogarszając procesy degradacji i prowadząc do pęcznienia. W skrajnych przypadkach połączenie wysokiej temperatury wewnętrznej i szybkiego wytwarzania gazu może wywołać niekontrolowany wzrost temperatury, znacznie zwiększając ryzyko pożaru lub wybuchu.
6. Starzenie się i zanik wydajności
Podobnie jak wszystkie systemy wielokrotnego ładowania, akumulatory litowo-jonowe ulegają stopniowej degradacji wraz z wiekiem. W ciągu setek cykli wydajność akumulatora nieuchronnie spada - zjawisko to znane jest jako zanikanie pojemności. Jest to w dużej mierze spowodowane ciągłą degradacją elektrod: katoda może z czasem tracić aktywny materiał, podczas gdy warstwa SEI na anodzie pogrubia się, zmniejszając wydajność transportu litowo-jonowego.
W miarę starzenia się akumulatora wzrasta jego rezystancja wewnętrzna, co prowadzi do wytwarzania dodatkowego ciepła podczas ładowania i rozładowywania. Ciepło to dodatkowo przyspiesza reakcje uboczne, które wytwarzają gaz, przyczyniając się do pęcznienia. Raport sporządzony przez Battery University z 2022 roku zauważa, że po około 500 cyklach ryzyko pęcznienia może wzrosnąć o 20-30% z powodu tych skumulowanych efektów degradacji. Brak równowagi między pogarszającymi się elektrodami nie tylko zmniejsza ogólną pojemność akumulatora, ale także czyni go bardziej podatnym na kwestie bezpieczeństwa, w tym pęcznienie i ostateczną awarię, jeśli proces degradacji pozostanie niekontrolowany.
Wnioski
Pęcznienie baterii litowych wynika ze złożonych interakcji między reakcjami chemicznymi, warunkami operacyjnymi i jakością produkcji. Każdy z tych czynników - chemiczny, mechaniczny lub termiczny - oddziałuje na długowieczność i bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych. Zrozumienie tych mechanizmów ma kluczowe znaczenie dla opracowania ulepszonych konstrukcji baterii, wdrożenia skutecznych systemów zarządzania temperaturą oraz zapewnienia ogólnego bezpieczeństwa i niezawodności urządzeń, które opierają się na tych systemach magazynowania energii. Zajmując się takimi czynnikami jak stabilność elektrolitu, zarządzanie temperaturą i kontrola napięcia, producenci mogą ograniczyć ryzyko i zwiększyć bezpieczeństwo. Dla konsumentów zrozumienie tych przyczyn zapewnia lepszą obsługę i trwałość baterii.
