Quanto si espandono le batterie ai polimeri di litio?

Sto progettando un dispositivo con una piccola batteria ai polimeri di litio (4x12x30 mm, 120 mA-h). Somiglia a questo:

Ho sentito che esiste una regola empirica secondo cui lo spazio lasciato per la batteria in una custodia dovrebbe essere circa il 10% più grande (suppongo principalmente di spessore) rispetto alle dimensioni nominali per consentire l'espansione. Il 10% in più sembra abbastanza grande.

1. Da dove viene questa regola empirica? Esistono raccomandazioni ufficiali su quanto sia ampio un compartimento in cui inserire le celle ai polimeri di litio?

2. Quanto si espandono e si riducono queste batterie nell'uso normale? Ad esempio durante i cicli di carica / scarica, cicli di temperatura nell'intervallo di temperatura normale (da -20 ° C a 60 ° C), ecc.

3. Cosa succede se la batteria si trova in uno scomparto rigido in caso di malfunzionamento? È abbastanza comune avere le batterie "gonfiate" se vengono messe in cortocircuito internamente, ma cosa succede se la batteria si trova in un compartimento che impedisce l'espansione? (Supponiamo che il compartimento sia abbastanza forte da resistere all'accumulo di pressione) La pressione / le pareti peggiorano o migliorano il corto?

Questo documento ha misurato una cella, hanno riportato un'espansione massima dello 0,5% su un ciclo di carica:

Fonte: espansione delle batterie a tasca agli ioni di litio: osservazioni dall'imaging dei neutroni Figura 7

Nel corso della durata della batteria, si è gonfiato più dell'1,5%

Fonte: espansione delle batterie a tasca agli ioni di litio: osservazioni dall'imaging dei neutroni Figura 9

Si potrebbero usare questi numeri come base, ma non è così difficile effettuare queste misurazioni in misura ragionevole. Poiché le batterie sono realizzate con diverse combinazioni di anodo \ catodo ed elettrolita che variano da produttore a produttore, sarebbe saggio consultare il produttore in merito al gonfiore o misurarlo.

Se vuoi davvero scoprire quanto si gonfia la tua batteria, procurati un micrometro e misuralo con una scarica, quindi misura completamente carica e vedi qual è la differenza. Misura la cella con la massima scarica, perché le cellule si gonfiano di più con l'espansione termica. Dai il tuo margine aggiuntivo per tenere conto delle differenze nelle batterie e nelle tolleranze di fabbricazione.

Le cellule si gonfiano anche di più nel mezzo se vengono riscaldate quindi all'esterno. Quindi assicurati di misurare il centro della cella.

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

Dovrebbe essere fatta una distinzione tra inevitabile espansione / contrazione dell'elettrodo dovuta all'elettrochimica degli elettrodi stessa a livello nanoscopico (che è stato presentato da lapto2d) e al "gonfiore / sbuffamento della batteria" di cellule di tipo a sacchetto (presentato da K.Krull) a causa di decomposizione / degassificazione dell'elettrolito, che è un segno di malfunzionamento e / o scarsa qualità di fabbricazione di una cella.

Per quanto riguarda il soffio, ci sono diverse teorie al riguardo, ma sembra che la causa principale sia una decomposizione degli elettroliti e un accumulo di metallo quando le cellule vengono lasciate in uno stato quasi sovra-scaricato per lungo tempo.

Il problema di fabbricazione è legato al processo di produzione, in cui le cellule vengono "formate" prima di essere sigillate , lasciando fuoriuscire l'elettrolito. Se la formatura viene eseguita in modo trascurato / troppo veloce, la vendita ha ancora un po 'di accumulo di gas e si gonfia nel tempo.

Ovviamente l'espansione globale delle cellule in pratica è una combinazione dei due effetti e alcuni studi su cellule ben fatte mostrano un'espansione fino al 4% dopo 50 cicli, vedi questa pubblicazione .

Mentre lo 0,5% -1% dell'espansione dello spessore dell'elettrodo è naturale e può / dovrebbe essere accompagnato da un po 'di dimensioni eccessive del vano batteria, un eccessivo soffio irreversibile è un grave precursore di un guasto catastrofico. A un certo punto, affrontando i problemi del cliente, mi sono reso conto che sarebbe stato molto utile disporre di un sensore di pressione per rilevare questo stato prima che l'intero case del dispositivo venisse fatto a pezzi. Sembra che questa idea sia già brevettata, US8717186B2 . Consiglio vivamente di inserire un sensore di pressione all'interno del progetto.

Anche se non posso competere con la ricchezza di dettagli fornita nelle risposte precedenti, penso che potrebbe essere utile darti un esempio del perché questo spazio extra viene utilizzato per una buona ragione.

Un Lipo non si gonfia solo durante il normale funzionamento con temperatura e carica / scarica, ma anche quando invecchia. Dai un'occhiata alla decomposizione degli elettroliti per scoprire di più su questo fenomeno, ma alla fine si rompe per la creazione di gas (principalmente ossigeno) all'interno del LiPo.
Solo per darti un'idea di cosa puoi aspettarti: una batteria di 3,5 anni di uso frequente che ho misurato durante la scrittura è stata estesa da 25 mm (secondo il rivenditore, non sono riuscito a trovare un foglio dati) a quasi 32 mm, che è più del 25% ! Immagino che i valori della scheda tecnica non siano così ottimisti come quelli del rivenditore, ma si tratta comunque di un aumento substanziale, che dovrebbe essere preso in considerazione durante la progettazione del prodotto.

Se la batteria non ha spazio per gonfiarsi, diventerà un possibile rischio di incendio e, nel peggiore dei casi, anche di esplosione. Vedi i commenti su sotto la tua domanda, questo è stato descritto da KH in dettaglio.