Quanto as baterias de polímero de lítio expandem em volume?

Estou projetando um dispositivo com uma pequena bateria de polímero de lítio (4x12x30 mm, 120 mA-h). Se parece com isso:

Ouvi dizer que existe uma regra geral de que o espaço restante para a bateria em um caso deve ser cerca de 10% maior (suponho principalmente em espessura) do que as dimensões nominais para permitir a expansão. Extra 10% parece bastante grande.

De onde vem essa regra de ouro? Existe alguma recomendação oficial para o tamanho de um compartimento para colocar células de polímero de lítio?
Quanto essas baterias se expandem e encolhem em uso normal? Por exemplo, durante ciclos de carga / descarga, ciclos de temperatura acima da faixa normal de temperatura (-20 ° C a 60 ° C), etc.
O que acontece se a bateria estiver em um compartimento rígido em caso de mau funcionamento? É bastante comum que as baterias "se esgotem" se elas forem danificadas internamente, mas o que acontece se a bateria estiver em um compartimento que impede a expansão? (Suponha que o compartimento seja forte o suficiente para suportar o aumento da pressão) A pressão / paredes tornam o curto pior ou melhor?

— Alex I
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Nos jornais que li, foi o ânodo ou o cátodo que aumentou 10%, então é daí que acho que 10% vem.

— Voltage Spike

@mkeith Acho que o mais importante é fazer o teste de ondulação por conta própria ou obtê-lo do fabricante. Não é difícil de fazer, só precisa de um conjunto de micrômetros e uma maneira de carga e descarga da célula

— Tensão Pico

No que diz respeito às baterias inchadas, a bateria deve ser projetada para expandir ou descarregar. As baterias do tipo bolsa, como a da sua foto, se expandem, as cascas duras, como as da década de 5050. Um ponto de falha deve ser fornecido para evitar falhas catastróficas; portanto, se você projetar algo com uma bateria do tipo bolsa, se possível, coloque pontos de falha na caixa para garantir que ela se abrirá / se abrirá se a bolsa da bateria se expandir e não permitir formas próximas que perfuram a bateria em expansão. Somente se não for possível expandir o gabinete, é necessário fornecer um ponto de falha para garantir que o gabinete seja ventilado.

— KH

A maior parte disso está basicamente impedindo que um incêndio se torne uma explosão. Se for usado um tipo de bateria que deve ventilar, IE 18650, a caixa também deve poder ventilar ou expandir. Um ponto fraco em plástico, um tampão de borracha / cola macia ou ganchos tensionados são todos aceitáveis. Curiosamente, este ano acabei usando meu Samsung Galaxy S6 até que a bateria pudesse suportar apenas a carga suficiente para alimentar o telefone por cerca de 2 minutos. Uso estojos à prova de vida, que são à prova d'água, totalmente selados e os grampos dianteiro e traseiro, mantendo-os unidos com força bastante significativa.

— KH

Quando finalmente cheguei a substituí-lo e abri o gabinete externo, sem a forte pressão dele segurando o telefone, as tampas frontal e traseira foram colocadas no chassi pela bateria em expansão (ponto de falha projetado), então eu pode fornecer uma foto ou duas para sua pergunta, se quiser. Observe que, apesar da compactação, o estojo à prova d'água possui pontos de falha adequados, como se a bateria descarregasse (se expandisse tanto quanto estourasse), a tampa da porta usb, a tampa do fone de ouvido e diversas membranas finas se abririam / falhariam, impedindo um explosão.

— KH

Respostas:

Este artigo mediu uma célula, eles relataram uma expansão máxima de 0,5% durante um ciclo de carga:

Fonte: Expansão das baterias de células de bolsa de íon de lítio: observações da imagem de nêutrons Figura 7

Ao longo da vida útil da bateria, aumentou mais de 1,5%

Fonte: Expansão das baterias de células de bolsa de íon de lítio: observações da imagem de nêutrons Figura 9

Pode-se usar esses números como linha de base, mas não é tão difícil fazer essas medições em um grau razoável. Como as baterias são fabricadas com combinações diferentes de ânodo \ catodo e eletrólito que variam de fabricante para fabricante, seria aconselhável consultar o fabricante sobre o inchaço ou medi-lo.

Se você realmente quiser descobrir o quanto sua bateria está inchando, pegue um micrômetro e meça a descarga, depois meça totalmente carregada e veja qual é a diferença. Meça a célula sob descarga máxima, porque as células incham mais com a expansão térmica. Dê uma margem adicional para considerar diferenças nas baterias e tolerâncias de fabricação.

As células também aumentam mais no meio se forem aquecidas do que no exterior. Portanto, certifique-se de medir o meio da célula.

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

— Voltage Spike
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Deve haver uma distinção entre inevitável expansão / contração do eletrodo devido à eletroquímica dos próprios eletrodos no nível nanoscópico (apresentado por lapto2d) e "inchaço / baforada da bateria" das células do tipo bolsa (apresentadas por K.Krull) devido a decomposição / desgaseificação de eletrólitos, que é um sinal de mau funcionamento e / ou má qualidade de fabricação de uma célula.

Em relação ao sopro, existem várias teorias sobre o assunto, mas parece que a principal causa é a decomposição de eletrólitos e o acúmulo de metais quando as células são deixadas em estado quase descarregado por um longo tempo.

A questão da fabricação está relacionada ao processo de produção, onde as células são "formadas" antes de serem seladas , deixando o eletrólito em gás. Se a formação for feita de maneira desleixada / muito rápida, a venda ainda terá algum acúmulo de gás e inchará com o tempo.

Obviamente, a expansão geral das células na prática é uma combinação dos dois efeitos, e alguns estudos de células bem feitas mostram expansão de até 4% após 50 ciclos, consulte esta publicação .

Embora a expansão da espessura do eletrodo de 0,5% -1% seja natural e possa / deva ser acomodada com algum tamanho excessivo do compartimento da bateria, o excesso de irreversibilidade é um precursor grave de uma falha catastrófica. A certa altura, ao lidar com os problemas do cliente, percebi que seria muito benéfico ter um sensor de pressão para detectar esse estado antes que todo o gabinete do dispositivo fosse destruído. Parece que essa ideia já está patenteada, US8717186B2 . Eu recomendo fortemente colocar um sensor de pressão dentro do seu projeto.

— Ale..chenski
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Embora eu não possa competir com a riqueza de detalhes dada nas respostas anteriores, acho que pode ser útil dar um exemplo de por que esse espaço extra é usado por um bom motivo.

Um Lipo não incha apenas durante a operação normal com temperatura e carga / descarga, mas também quando envelhece. Dê uma olhada na decomposição de eletrólitos para descobrir mais sobre esse fenômeno, mas, no final das contas, se decompõe na criação de gases (principalmente oxigênio) dentro do LiPo.
Só para você ter uma idéia do que você pode esperar: Uma bateria de 3,5 anos usada com frequência, medida durante a escrita, expandida de 25 mm (de acordo com o revendedor, não conseguia encontrar uma folha de dados) para quase 32 mm, que é mais de 25% ! Acho que os valores da folha de dados não são tão otimistas quanto os do revendedor, mas ainda assim é um aumento substancial, que deve ser levado em consideração ao projetar seu produto.

Se a bateria não tiver espaço para inchar, ela se tornará um possível risco de incêndio e - no pior caso - até de explosão. Veja os comentários abaixo da sua pergunta, isso foi descrito por KH em detalhes.

— K. Krull
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Hmm, que tipo de bateria era? 25 mm é muito para uma célula de bolsa, você quer dizer 2,5 mm? Parece inchado? Eu acho que a tolerância típica na espessura da célula é quase 0,5 mm.

— Alex I

Eu estava falando de uma bateria 4S 2200mAh LiPo usada para carros de RC e multicopters, a grande variante de sua pequena célula (os 25mm são destinados). Ainda não está inchado, mas eu não recomendaria mais usá-lo. Eu cavei um pouco mais fundo e encontrei uma bateria 1S antiga agora, que é bastante semelhante à sua. Parece inchado também, mas não tão horrível quanto o grande. Infelizmente, não posso contar numericamente, pois não sei quão espessa era originalmente.

— 31919 Krull K.