¿Cuánto se expanden en volumen las baterías de polímero de litio?

Estoy diseñando un dispositivo con una pequeña batería de polímero de litio (4x12x30 mm, 120 mA-h). Se ve como esto:

He escuchado que existe una regla general de que el espacio que queda para la batería en una caja debe ser alrededor de un 10% más grande (supongo principalmente en grosor) que las dimensiones nominales para permitir la expansión. El 10% extra parece bastante grande.

1. ¿De dónde viene esta regla general? ¿Hay alguna recomendación oficial sobre qué tan grande es un compartimento para colocar células de polímero de litio?

2. ¿Cuánto se expanden y encogen estas baterías con el uso normal? Por ejemplo, durante los ciclos de carga / descarga, ciclos de temperatura por encima del rango de temperatura normal (-20 ° C a 60 ° C), etc.

3. ¿Qué sucede si la batería está en un compartimento rígido en caso de mal funcionamiento? Es bastante común que las baterías se "agoten" si se cortocircuitan internamente, pero ¿qué sucede si la batería está en un compartimento que impide la expansión? (Suponga que el compartimento es lo suficientemente fuerte como para soportar la acumulación de presión) ¿La presión / las paredes empeoran o mejoran el corto?

Este documento midió una celda, informaron una expansión máxima de 0.5% durante un ciclo de carga:

Fuente: Expansión de las baterías de celda de bolsa de iones de litio: observaciones de imágenes de neutrones Figura 7

Durante la vida útil de la batería, aumentó más del 1.5%

Fuente: Expansión de las baterías de celda de bolsa de iones de litio: observaciones de imágenes de neutrones Figura 9

Uno podría usar estos números para una línea de base, pero no es tan difícil hacer estas mediciones en un grado razonable. Dado que las baterías están hechas con diferentes combinaciones de ánodo / cátodo y electrolito que varían de un fabricante a otro, sería aconsejable consultar al fabricante sobre la hinchazón o medirla.

Si realmente desea saber cuánto se está hinchando su batería, obtenga un micrómetro y mida la descarga, luego mida completamente cargada y vea cuál es la diferencia. Mida la celda bajo descarga máxima, porque las celdas se hinchan más con la expansión térmica. Dése un margen adicional para tener en cuenta las diferencias en las baterías y las tolerancias de fabricación.

Las células también se abultan más en el medio si se calientan que en el exterior. Así que asegúrese de medir el centro de la celda.

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

Debe hacerse una distinción entre la inevitable expansión / contracción de los electrodos debido a la electroquímica de los electrodos en sí a nivel nanoscópico (que fue presentada por lapto2d), y la "hinchazón / hinchazón de la batería" de las células tipo bolsa (presentada por K.Krull) debido a descomposición electrolítica / desgasificación, que es un signo de mal funcionamiento y / o mala calidad de fabricación de una celda.

Con respecto a la inhalación, hay varias teorías al respecto, pero parece que la causa principal es la descomposición de electrolitos y la acumulación de metal cuando las células se dejan en estado de descarga excesiva durante mucho tiempo.

El problema de fabricación está relacionado con el proceso de producción, donde las células se "forman" antes de ser selladas , dejando que el electrolito se expulse. Si el conformado se realiza descuidado / demasiado rápido, la venta aún tiene algo de acumulación de gas y se hinchará con el tiempo.

Obviamente, la expansión celular general en la práctica es una combinación de los dos efectos, y algunos estudios de células bien hechas muestran una expansión de hasta el 4% después de 50 ciclos, consulte esta publicación .

Si bien la expansión del grosor del electrodo del 0.5% -1% es natural y puede / debe acomodarse con un sobredimensionamiento del compartimento de la batería, el resoplido excesivo e irreversible es un precursor grave de una falla catastrófica. En un momento al tratar con los problemas del cliente, me di cuenta de que sería muy beneficioso tener un sensor de presión para detectar este estado antes de que todo el estuche del dispositivo se rompa. Parece que esta idea ya está patentada, US8717186B2 . Recomiendo encarecidamente colocar un sensor de presión dentro de su diseño.

Aunque no puedo competir con la gran cantidad de detalles dados en respuestas anteriores, creo que podría ser útil darle un ejemplo de por qué este espacio adicional se usa por una buena razón.

Un Lipo no solo se hincha durante el funcionamiento normal con temperatura y carga / descarga, sino también cuando envejece. Eche un vistazo a la descomposición de electrolitos para obtener más información sobre este fenómeno, pero finalmente se descompone en la creación de gases (principalmente oxígeno) dentro del LiPo.
Solo para darle una idea de lo que puede esperar: una batería de 3.5 años de uso frecuente que medí durante la escritura se expandió de 25 mm (según el revendedor, no pudo encontrar una hoja de datos) a casi 32 mm, que es más del 25% ! Supongo que los valores de la hoja de datos no son tan optimistas como los del revendedor, pero aún así este es un aumento sustancial, que debe tenerse en cuenta al diseñar su producto.

Si la batería no tiene espacio para hincharse, se convertirá en un posible riesgo de incendio y, en el peor de los casos, incluso de explosión. Vea los comentarios debajo de su pregunta, esto ha sido descrito por KH en detalle.