Насколько литий-полимерные батареи увеличиваются в объеме?

Я разрабатываю устройство с небольшой литий-полимерной батареей (4x12x30 мм, 120 мА-ч). Выглядит так:

Я слышал, что есть эмпирическое правило, что место, оставленное для батареи в корпусе, должно быть примерно на 10% больше (я полагаю, в основном по толщине), чем номинальные размеры, чтобы учесть расширение. Дополнительные 10% кажутся довольно большими.

1. Откуда это эмпирическое правило? Есть ли официальная рекомендация о том, каков большой отсек для размещения литий-полимерных элементов?

2. Насколько эти батареи расширяются и сжимаются при обычном использовании? Например, во время циклов зарядки / разрядки, температурных циклов в нормальном температурном диапазоне (от -20 ° C до 60 ° C) и т. Д.

3. Что произойдет, если аккумулятор окажется в жестком отсеке в случае неисправности? Батареи «выдыхаются», если они внутренне замкнуты, довольно часто, но что произойдет, если батарея находится в отсеке, который предотвращает расширение? (Предположим, что отсек достаточно прочен, чтобы выдержать повышение давления). Давление / стенки делают короткое хуже или лучше?

Эта статья измеряла ячейку, они сообщили о максимальном расширении на 0,5% за цикл зарядки:

Источник: Расширение литий-ионных аккумуляторов: наблюдения с помощью нейтронной визуализации. Рисунок 7

За время жизни батареи она набухла более чем на 1,5%

Источник: Расширение литий-ионных аккумуляторов: наблюдения с помощью нейтронной визуализации. Рисунок 9

Можно использовать эти числа для базовой линии, но это не так сложно сделать эти измерения в разумной степени. Поскольку батареи изготавливаются с различными комбинациями анод / катод и электролит, которые варьируются от производителя к производителю, было бы целесообразно проконсультироваться с производителем по поводу набухания или измерить его.

Если вы действительно хотите выяснить, насколько сильно разбухает ваша батарея, возьмите микрометр и измерьте его разрядку, затем измерьте его полностью заряженным и посмотрите, в чем разница. Измерьте ячейку при максимальном разряде, потому что ячейки набухают больше с тепловым расширением. Дайте себе дополнительную маржу для учета различий в батареях и производственных допусках.

Клетки также более выпуклые в середине, если они нагреты, то снаружи. Поэтому убедитесь, что вы измеряете середину ячейки.

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

Должно быть проведено различие между неизбежным расширением / сжатием электродов из-за электрохимии самих электродов на наноскопическом уровне (который был представлен lapto2d), и «набуханием / набуханием» батарей типа мешочка (представленным К.Круллом) из-за разложение / выделение электролита, что является признаком неисправности и / или низкого качества изготовления элемента.

Что касается затяжек, то существует несколько теорий об этом, но похоже, что основной причиной является некоторое разложение электролита и накопление металла, когда элементы остаются в состоянии почти чрезмерной разрядки в течение длительного времени.

Производственная проблема связана с производственным процессом, где ячейки «формируются» перед запечатыванием , позволяя электролиту выходить из газа. Если формирование выполняется неаккуратно / слишком быстро, продажи все равно будут накапливать газ и со временем пыхнут.

Очевидно, что общее расширение клеток на практике представляет собой комбинацию двух эффектов, и некоторые исследования хорошо сделанных клеток показывают увеличение до 4% после 50 циклов, см. Эту публикацию .

В то время как увеличение толщины электрода на 0,5% -1% является естественным и может / должно быть учтено при некотором увеличении размера батарейного отсека, чрезмерное необратимое вспучивание является серьезным предшественником катастрофического отказа. В какой-то момент, решая проблемы клиента, я понял, что было бы очень полезно иметь датчик давления, чтобы обнаружить это состояние, прежде чем весь корпус устройства будет разорван. Похоже, что эта идея уже запатентована, US8717186B2 . Я настоятельно рекомендую установить датчик давления внутри вашего дизайна.

Хотя я не могу конкурировать с большим количеством деталей, приведенных в предыдущих ответах, я думаю, что было бы полезно привести пример, почему это дополнительное пространство используется по уважительной причине.

Lipo не только набухает при нормальной работе с температурой и зарядкой / разрядкой, но и при старении. Посмотрите на разложение электролита, чтобы узнать больше об этом явлении, но в конечном итоге это приводит к образованию газов (в основном кислорода) внутри LiPo.
Просто чтобы дать вам представление о том, что вы можете ожидать: часто используемая 3,5-летняя батарея, которую я измерил во время написания, увеличилась с 25 мм (по словам реселлера, не смог найти таблицу данных) до почти 32 мм, что составляет более 25%. ! Я полагаю, что данные таблицы не столь оптимистичны, как у реселлера, но все же это существенный рост, который следует учитывать при разработке вашего продукта.

Если у батареи нет места для разбухания, это может привести к пожару и, в худшем случае, даже к взрыву. Смотрите комментарии ниже вашего вопроса, это было подробно описано KH.