Wie viel Volumen haben Lithium-Polymer-Batterien?

Ich entwerfe ein Gerät mit einem kleinen Lithium-Polymer-Akku (4 x 12 x 30 mm, 120 mAh). Sieht aus wie das:

Ich habe gehört, dass es eine Faustregel gibt, dass der verbleibende Platz für die Batterie in einem Gehäuse etwa 10% größer sein sollte (ich nehme vor allem in der Dicke an) als die Nennabmessungen, um eine Erweiterung zu ermöglichen. Zusätzliche 10% scheinen ziemlich groß zu sein.

1. Woher kommt diese Faustregel? Gibt es eine offizielle Empfehlung für die Größe eines Fachs, in das Lithium-Polymer-Zellen eingesetzt werden können?

2. Wie stark dehnen sich diese Batterien bei normalem Gebrauch aus und schrumpfen? Zum Beispiel während Lade- / Entladezyklen, Temperaturzyklen über dem normalen Temperaturbereich (-20 ° C bis 60 ° C) usw.

3. Was passiert, wenn sich die Batterie im Fehlerfall in einem starren Fach befindet? Es ist ziemlich üblich, dass Batterien "verbraucht" werden, wenn sie intern kurzgeschlossen werden. Was passiert jedoch, wenn sich die Batterie in einem Fach befindet, das eine Ausdehnung verhindert? (Angenommen, das Fach ist stark genug, um dem Druckaufbau standzuhalten.) Verschlimmern der Druck / die Wände den Kurzschluss oder verbessern sie ihn?

Dieses Papier hat eine Zelle vermessen, sie haben eine maximale Ausdehnung von 0,5% über einen Ladezyklus berichtet:

Quelle: Erweiterung der Lithium-Ionen-Beutelzellenbatterien: Beobachtungen aus der Neutronenbildgebung Abbildung 7

Über die Lebensdauer der Batterie schwoll sie um mehr als 1,5% an

Quelle: Erweiterung der Lithium-Ionen-Beutelzellenbatterien: Beobachtungen aus der Neutronenbildgebung Abbildung 9

Man könnte diese Zahlen als Basis verwenden, aber es ist nicht so schwer, diese Messungen in einem vernünftigen Maße durchzuführen. Da Batterien mit unterschiedlichen Anoden- / Kathoden- / Elektrolytkombinationen hergestellt werden, die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sind, ist es ratsam, den Hersteller bezüglich der Schwellung zu konsultieren oder diese zu messen.

Wenn Sie wirklich herausfinden möchten, wie stark Ihre Batterie anschwillt, nehmen Sie ein Mikrometer und messen Sie die Entladung. Messen Sie dann die vollständige Ladung und sehen Sie, was der Unterschied ist. Messen Sie die Zelle bei maximaler Entladung, da die Zellen bei Wärmeausdehnung stärker anschwellen. Gönnen Sie sich einen zusätzlichen Spielraum, um Unterschiede bei Batterien und Herstellungstoleranzen zu berücksichtigen.

Zellen wölben sich auch mehr in der Mitte, wenn sie als die Außenseite erhitzt werden. Stellen Sie also sicher, dass Sie die Mitte der Zelle messen.

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

Es sollte unterschieden werden zwischen der unvermeidlichen Ausdehnung / Kontraktion der Elektroden aufgrund der Elektrochemie der Elektroden selbst auf nanoskopischer Ebene (vorgestellt von lapto2d) und dem "Aufblähen / Aufblähen" von Zellen vom Beuteltyp (vorgestellt von K.Krull) aufgrund von Zersetzung / Ausgasung von Elektrolyten, was ein Zeichen für eine Fehlfunktion und / oder eine schlechte Fertigungsqualität einer Zelle ist.

In Bezug auf das Aufblähen gibt es mehrere Theorien, aber es sieht so aus, als ob die Hauptursache eine Elektrolytzersetzung und Metallansammlung ist, wenn die Zellen für lange Zeit in einem fast überentladenen Zustand belassen werden.

Das Herstellungsproblem hängt mit dem Produktionsprozess zusammen, bei dem die Zellen "geformt" werden, bevor sie versiegelt werden und der Elektrolyt austreten kann. Wenn das Formen schlampig / zu schnell erfolgt, hat der Verkauf immer noch eine gewisse Gasansammlung und pustet mit der Zeit.

Offensichtlich ist die allgemeine Zellexpansion in der Praxis eine Kombination der beiden Effekte, und einige Studien an gut hergestellten Zellen zeigen eine Expansion von bis zu 4% nach 50 Zyklen, siehe diese Veröffentlichung .

Während die Ausdehnung der Elektrodendicke von 0,5% bis 1% natürlich ist und mit etwas Übergröße des Batteriefachs ausgeglichen werden kann / sollte, ist übermäßiges irreversibles Aufblähen ein schwerwiegender Vorläufer für ein katastrophales Versagen. Irgendwann bei der Lösung von Kundenproblemen wurde mir klar, dass es sehr vorteilhaft wäre, einen Drucksensor zu haben, der diesen Zustand erkennt, bevor das gesamte Gerätegehäuse auseinander gerissen wird. Es scheint, dass diese Idee bereits patentiert ist, US8717186B2 . Ich empfehle dringend, einen Drucksensor in Ihr Design einzubauen.

Obwohl ich mit der Fülle an Details in früheren Antworten nicht mithalten kann, halte ich es für hilfreich, Ihnen ein Beispiel zu geben, warum dieser zusätzliche Platz aus einem guten Grund verwendet wird.

Ein Lipo quillt nicht nur während des normalen Betriebs mit der Temperatur und dem Laden / Entladen auf, sondern auch im Alter. Schauen Sie sich die Elektrolytzersetzung an, um mehr über dieses Phänomen zu erfahren. Letztendlich kommt es jedoch zur Bildung von Gasen (hauptsächlich Sauerstoff) im LiPo.
Nur um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, was Sie erwarten können: Ein häufig verwendeter 3,5-jähriger Akku, den ich während des Schreibens gemessen habe, wurde von 25 mm (laut Händler konnte kein Datenblatt gefunden werden) auf fast 32 mm erweitert, was mehr als 25% entspricht. ! Ich denke, die Datenblattwerte sind nicht so optimistisch wie die des Wiederverkäufers, aber es handelt sich dennoch um eine erhebliche Steigerung, die bei der Entwicklung Ihres Produkts berücksichtigt werden sollte.

Wenn der Akku keinen Platz zum Aufquellen hat, besteht Brandgefahr und im schlimmsten Fall sogar Explosionsgefahr. Lesen Sie die Kommentare unter Ihrer Frage, dies wurde von KH im Detail beschrieben.