Dans quelle mesure les batteries au lithium polymère se dilatent-elles en volume?

Je conçois un appareil avec une petite batterie au lithium polymère (4x12x30 mm, 120 mA-h). Ressemble à ça:

J'ai entendu dire qu'il existe une règle générale selon laquelle l'espace laissé pour la batterie dans un boîtier doit être environ 10% plus grand (je suppose principalement en épaisseur) que les dimensions nominales pour permettre l'expansion. 10% supplémentaires semblent assez importants.

1. D'où vient cette règle empirique? Existe-t-il une recommandation officielle sur la taille d'un compartiment pour y loger des piles au lithium polymère?

2. Dans quelle mesure ces batteries se dilatent-elles et rétrécissent-elles en utilisation normale? Par exemple, pendant les cycles de charge / décharge, les cycles de température dans la plage de température normale (-20C à 60C), etc.

3. Que se passe-t-il si la batterie se trouve dans un compartiment rigide en cas de dysfonctionnement? Il est assez courant que les batteries "gonflent" si elles sont court-circuitées en interne, mais que se passe-t-il si la batterie se trouve dans un compartiment qui empêche l'expansion? (Supposons que le compartiment soit suffisamment solide pour résister à l'accumulation de pression) La pression / les parois aggravent-elles ou améliorent-elles le court-circuit?

Cet article a mesuré une cellule, ils ont signalé une expansion maximale de 0,5% sur un cycle de charge:

Source: Expansion des batteries au lithium-ion à poche: observations de l'imagerie neutronique Figure 7

Au cours de la durée de vie de la batterie, elle a gonflé de plus de 1,5%

Source: Expansion des batteries au lithium-ion à poche: observations de l'imagerie neutronique Figure 9

On pourrait utiliser ces chiffres pour une référence, mais ce n'est pas si difficile de faire ces mesures à un degré raisonnable. Étant donné que les batteries sont fabriquées avec différentes combinaisons anode / cathode et électrolyte qui varient d'un fabricant à l'autre, il serait sage de consulter le fabricant sur le gonflement ou de le mesurer.

Si vous voulez vraiment savoir combien votre batterie gonfle, obtenez un micromètre et mesurez-la déchargée, puis mesurez-la complètement chargée et voyez quelle est la différence. Mesurer la cellule sous décharge maximale, car les cellules gonflent davantage avec l'expansion thermique. Donnez-vous une marge supplémentaire pour tenir compte des différences de batteries et des tolérances de fabrication.

Les cellules sont également plus bombées au milieu si elles sont chauffées puis à l'extérieur. Assurez-vous donc de mesurer le milieu de la cellule.

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

Il devrait y avoir une distinction entre l'expansion / contraction inévitable des électrodes en raison de l'électrochimie des électrodes elle-même au niveau nanoscopique (qui a été présentée par laptopo2d), et le "gonflement / gonflement de la batterie" des cellules de type poche (présenté par K. Krull) en raison de décomposition / dégazage d'électrolyte, qui est un signe de dysfonctionnement et / ou de mauvaise qualité de fabrication d'une cellule.

En ce qui concerne le gonflement, il existe plusieurs théories à ce sujet, mais il semble que la principale cause soit une décomposition des électrolytes et une accumulation de métal lorsque les cellules sont laissées dans un état presque trop déchargé pendant longtemps.

Le problème de fabrication est lié au processus de production, où les cellules sont "formées" avant d'être scellées , laissant l'électrolyte s'échapper. Si le formage est effectué de manière bâclée / trop rapide, la vente a encore une accumulation de gaz et gonflera au fil du temps.

De toute évidence, l'expansion cellulaire globale dans la pratique est une combinaison des deux effets, et certaines études sur des cellules bien faites montrent une expansion jusqu'à 4% après 50 cycles, voir cette publication .

Alors que la dilatation de 0,5% à 1% de l'épaisseur de l'électrode est naturelle et peut / devrait être prise en charge avec un certain surdimensionnement du compartiment de la batterie, un gonflement irréversible excessif est un précurseur sérieux d'une défaillance catastrophique. À un moment donné, lorsque j'ai traité les problèmes des clients, j'ai réalisé qu'il serait très bénéfique d'avoir un capteur de pression pour détecter cet état avant que le boîtier de l'appareil ne se déchire. Il semble que cette idée soit déjà brevetée, US8717186B2 . Je recommande fortement de mettre un capteur de pression à l'intérieur de votre conception.

Bien que je ne puisse pas rivaliser avec la richesse des détails donnés dans les réponses précédentes, je pense qu'il pourrait être utile de vous donner un exemple pourquoi cet espace supplémentaire est utilisé pour une bonne raison.

Un Lipo ne gonfle pas seulement pendant le fonctionnement normal avec la température et la charge / décharge, mais aussi lorsqu'il vieillit. Cherchez la décomposition des électrolytes pour en savoir plus sur ce phénomène, mais finalement cela se décompose en création de gaz (principalement de l'oxygène) à l'intérieur du LiPo.
Juste pour vous donner une idée de ce à quoi vous pouvez vous attendre: une batterie de 3,5 ans fréquemment utilisée que j'ai mesurée lors de l'écriture est passée de 25 mm (selon le revendeur, n'a pas pu trouver de fiche technique) à près de 32 mm, soit plus de 25% ! Je suppose que les valeurs de la fiche technique ne sont pas aussi optimistes que celles du revendeur, mais il s'agit tout de même d'une augmentation substantielle, qui doit être prise en compte lors de la conception de votre produit.

Si la batterie n'a pas de place pour gonfler, cela deviendra un risque possible d'incendie et - dans le pire des cas - même d'explosion. Voir les commentaires ci-dessous sur votre question, cela a été décrit par KH en détail.