Ausbeulungen (auch Schwellungen genannt) sind ein häufiges Phänomen bei Ausfällen von Lithiumbatterien, bergen Sicherheitsrisiken (z. B. Feuer oder Explosionen) und erfordern in der Regel eine sofortige Einstellung der Nutzung.
Der Grund für die Ausbeulung ist die Bildung von übermäßigem Gas im Inneren der Batterie, was zu erhöhtem Druck und Verformung des Gehäuses oder der inneren Zellen führt. Dies ist bei Beutelbatterien üblich. Eine etwas höhere Gasproduktion in prismatischen Batterien kann zu einer schlechten Batteriedicke führen und in schweren Fällen dazu führen, dass sich das explosionssichere Ventil öffnet.
Zu den Ursachen für eine Ausbeulung der Batterie gehören:
I. Interne chemische Reaktionen, die Gas erzeugen (Grundursache)
1.1 Elektrolytzersetzung
Überladung:Wenn die Spannung zu hoch ist, wird die Materialstruktur der positiven Elektrode instabil und setzt aktiven Sauerstoff frei, der heftig mit dem Elektrolyten reagiert und große Mengen an Wärme und Gas (wie CO₂, CO) erzeugt.
Umgebung mit hohen-Temperaturen:Organische Lösungsmittel im Elektrolyten (z. B. Carbonate) zersetzen sich leicht und erzeugen bei hohen Temperaturen Gas.
1.2 Zersetzung und Regeneration des SEI-Films
Während des normalen Zyklus repariert sich die Festelektrolytgrenzfläche (SEI-Film) auf der Oberfläche der negativen Elektrode leicht selbst, verbraucht Elektrolyt und erzeugt eine kleine Menge Gas. Bei Überladung oder hohen Temperaturen zersetzt sich der SEI-Film erheblich und legt die negative Elektrode (z. B. Graphit) frei, die mit dem Elektrolyten reagiert und Wasserstoff und Alkangase erzeugt.
1.3 Feuchtigkeitsverunreinigungsreaktion
Wenn während der Produktion Feuchtigkeit eingebracht wird, reagieren Lithiumsalze im Elektrolyten (z. B. LiPF₆) mit Wasser unter Bildung von HF (ätzend) und Wasserstoff, was zu Schwellungen und Materialschäden führt.
1.4 Lithiumbeschichtung der negativen Elektrode
Beim Laden bei niedrigen Temperaturen, beim Laden mit hohem Strom oder bei der Alterung der negativen Elektrode können Lithiumionen direkt auf der Oberfläche der negativen Elektrode (Lithiumbeschichtung) zu metallischem Lithium reduziert werden, anstatt sich in die Graphitschicht einzubetten.
Metallisches Lithium reagiert mit dem Elektrolyten unter Bildung von Gasen wie Wasserstoff und kann außerdem den Separator durchstoßen und einen Kurzschluss verursachen.
Oben werden die Gründe für die Ausbeulung von Batterien beschrieben, die die Hauptursachen (Mechanismen) für die Gasproduktion sind. Die Gasproduktion ist unvermeidlich; Selbst bei perfektem Design, optimaler Materialauswahl und sorgfältigen Herstellungsprozessen produzieren Batterien Gas. Spurengasmengen sind akzeptabel und der Innenraum der Batterie kann diese aufnehmen.
Unangemessene Konstruktions- und Herstellungsfehler können jedoch die Gaserzeugung beschleunigen, und auch die unsachgemäße Verwendung von Batterien beschleunigt die Gaserzeugung. Im Folgenden werden hauptsächlich die durch diese Faktoren verursachten Gaserzeugungsprobleme vorgestellt;
II. Design- und Herstellungsfehler
2.1 Probleme im Produktionsprozess
Eine unsachgemäße Feuchtigkeitskontrolle in der Produktionsumgebung führt zu übermäßiger Feuchtigkeit in der Batteriezelle.
Eine ungleichmäßige Elektrodenbeschichtung und eine Fehlausrichtung der Wicklung/Stapelung können zu örtlicher Spannungskonzentration oder Kurzschlussrisiken führen.
ACEY-HFC250Elektrodenbeschichtungsmaschinewerden häufig in der Forschung zu verschiedenen Hochtemperatur-Beschichtungsfilmen eingesetzt, darunter Keramik, kristalline Strukturen, Batteriematerialien und spezielle Nanomaterialien.
Eine schlechte Kapselung führt zu Gaslecks oder schlechter Abdichtung.
2.2 Sachmängel (Separator)
Schlechte Qualität (ungleichmäßige Porosität, geringe mechanische Festigkeit) führt dazu, dass es schrumpft oder reißt.
Eine falsche Formulierung des Elektrolytzusatzes führt zu schlechten Filmbildungseigenschaften.
2.3 Ausfall des Sicherheitsventils
Einige Softpack- oder zylindrische Batterien verfügen über schlecht konstruierte Sicherheitsventile, die den Druck nicht rechtzeitig abbauen können, wenn der Druck ansteigt.
III. Unsachgemäße Nutzungsbedingungen (häufige Ursachen)
3.1 Überladen/Entladen
Überladung:Die Struktur der positiven Elektrode kollabiert, wodurch Sauerstoff entsteht und die Zersetzung des Elektrolyten beschleunigt wird.
Tiefentladung (Unterspannung):Der Kupferstromkollektor an der negativen Elektrode löst sich auf, was zu Kurzschlüssen und Gasentwicklung führt.
3.2 Umgebung mit hohen-Temperaturen
Längere Einwirkung hoher Temperaturen (wie direktes Sonnenlicht oder hohe Temperaturen im Fahrzeuginnenraum) führt zu einem exponentiellen Anstieg der Nebenreaktionsrate.
Das Laden und Entladen mit hohem -Strom führt zu einem internen Wärmestau.
3.3 Mechanischer Schaden
Durch Quetschen, Durchstechen oder Herunterfallen kann es zu einer inneren Strukturverformung kommen, die zu Mikrokurzschlüssen oder Elektrolytaustritt führen kann.
3.4 Langfristige Leerlaufspeicherung
Bei längerer Lagerung des Akkus bei zu hohem oder niedrigem Ladezustand treten weiterhin Nebenreaktionen auflangsam, allmählich Gas produzieren.