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Test di sicurezza delle batterie al litio

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Test di sicurezza delle batterie al litio

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La batteria agli ioni di litio presenta i vantaggi di un'elevata energia specifica, di un'alta potenza specifica, di una piattaforma ad alta tensione, di una piccola autoscarica, di una lunga durata del ciclo, di un basso inquinamento ambientale e dell'assenza di effetto memoria. È stata ampiamente utilizzata nei telefoni cellulari, nei computer, nei veicoli elettrici, nel settore militare, nella tecnologia spaziale e in altri campi correlati. Tuttavia, le batterie agli ioni di litio comportano alcuni potenziali rischi per la sicurezza, pur apportando benefici all'umanità. Ad esempio, le batterie agli ioni di litio possono causare incendi, esplosioni e altri rischi in condizioni di abuso (come sovraccarico, sovra-scarico, cortocircuito, estrusione, agopuntura, alta temperatura, ecc.)

Negli ultimi anni continuano a verificarsi incidenti legati alla sicurezza delle batterie agli ioni di litio, che rappresentano una grave minaccia per la sicurezza personale e delle cose. Le prestazioni di sicurezza delle batterie al litio sono ancora un problema urgente da risolvere. Dal punto di vista della batteria al litio, essa stessa è un vettore di energia che presenta fattori di rischio. I processi di produzione di capacità diverse e la standardizzazione del metodo di utilizzo influiscono notevolmente sulle prestazioni di sicurezza della batteria.

Attualmente sono state condotte numerose ricerche sull'influenza dei materiali degli elettrodi positivi e negativi, dell'elettrolita, del diaframma e di altri fattori sulle prestazioni di sicurezza delle batterie al litio sia in patria che all'estero, ma sono poche le ricerche sull'influenza della struttura della cella e del materiale dell'involucro della batteria sulle prestazioni di sicurezza delle batterie al litio. In questo lavoro è stata approfondita l'influenza della struttura della cella e del materiale dell'involucro della batteria sulle prestazioni di sicurezza delle batterie al litio.

I tre tipi di batterie utilizzati in questo esperimento sono la batteria a guscio d'acciaio 18650, la batteria a pacchetto morbido di tipo avvolgente e la batteria a pacchetto morbido di tipo laminato con una capacità di 2 Ah. La differenza è che la struttura delle celle della batteria e la struttura del materiale di imballaggio si dividono in tipo avvolgente e tipo laminato. Le celle della batteria a cassa d'acciaio e della batteria flessibile avvolta sono a struttura avvolta, mentre le celle della batteria flessibile laminata sono a struttura laminata. I materiali includono film compositi di alluminio e plastica e acciaio nichelato.

Test delle prestazioni di sicurezza

In questo studio sono stati utilizzati tre test di cortocircuito esterno, agopuntura e sovraccarico per caratterizzare le prestazioni di sicurezza della batteria. I tre test di sicurezza sono stati eseguiti in conformità agli standard internazionali. In condizioni di temperatura ambiente, il test di penetrazione dei chiodi viene eseguito con la camera di prova di penetrazione dei chiodi. La prestazione di sovraccarico è stata testata con la camera di prova.

Test di cortocircuito esterno

I risultati del test mostrano che la temperatura della batteria flessibile laminata, della batteria flessibile avvolta e della batteria 18650 a guscio d'acciaio aumenta rapidamente in breve tempo quando si verifica un cortocircuito esterno, e la temperatura massima è rispettivamente di 64, 82 e 102 ℃. Grazie alla protezione del diaframma a secco, anche se la batteria viene messa in cortocircuito dall'esterno, i due poli della batteria continuano a mostrare una certa tensione in anticipo. Quando la tensione della batteria sale a zero, le temperature superficiali dei tre tipi di batterie raggiungono rispettivamente le temperature massime. Quando la corrente di cortocircuito scende a zero, la scarica della batteria si arresta e la temperatura superficiale della batteria scende gradualmente a temperatura ambiente. Non si verificano incendi o esplosioni dopo il cortocircuito dei tre tipi di batterie.

La valvola di sicurezza della batteria a guscio d'acciaio si apre e si verifica una perdita di liquido. Per gli altri due tipi di batterie non si riscontra alcun fenomeno evidente. Il motivo di questo fenomeno è che nel momento in cui il filo di rame è collegato, gli elettrodi positivi e negativi della batteria formano un circuito chiuso attraverso il filo di rame, la tensione diminuisce rapidamente, la corrente aumenta istantaneamente e la corrente di cortocircuito può raggiungere più di 60 A. Il calore generato dalla grande corrente attraversa la resistenza interna della batteria e l'accumulo di calore. La temperatura superficiale della batteria aumenta rapidamente.

Dall'esperimento di cortocircuito, si può concludere che l'aumento di temperatura dei tre tipi di batterie è diverso. L'aumento di temperatura massimo della batteria a guscio d'acciaio è il più basso. Oltre a considerare come criteri di giudizio le condizioni estreme, quali incendio ed esplosione, la variazione della temperatura superficiale della piscina lunare è anche il dato intuitivo dei risultati sperimentali, che può caratterizzare i vantaggi e gli svantaggi del test di cortocircuito. Più alta è la temperatura della batteria, peggiore è la sua performance di sicurezza. I risultati di cui sopra mostrano che la sicurezza delle batterie dei tre processi produttivi va da alta a bassa, rispettivamente, batteria flessibile laminata, batteria flessibile avvolta e batteria 18650 a guscio d'acciaio.

Test di penetrazione dei chiodi

Dal test si evince che la temperatura della batteria flessibile laminata e della batteria 18650 a guscio d'acciaio sale rispettivamente a 190 ℃ e 239 ℃ in breve tempo, e la batteria a guscio d'acciaio prende fuoco e brucia; dalla batteria flessibile laminata è stata emessa una grande quantità di fumo, ma non si è verificato alcun incendio. La temperatura superficiale della batteria diminuisce gradualmente. Tuttavia, la batteria flessibile laminata non ha fumato né bruciato e la temperatura massima è stata di soli 82 ℃.

Il meccanismo della reazione di cui sopra è che, dopo la perforazione della batteria, l'ago d'acciaio e i poli positivo e negativo della batteria formano un circuito chiuso e si verifica un cortocircuito interno istantaneo. La tensione alle due estremità della batteria scende rapidamente a zero e la corrente aumenta bruscamente, generando un enorme calore. La temperatura di superficie aumenta rapidamente e ciò porta a un'ulteriore espansione dell'area di cortocircuito del diaframma, provocando un circolo vizioso.

La differenza tra i risultati delle batterie flessibili avvolte e delle batterie 18650 a guscio d'acciaio risiede nei diversi materiali di imballaggio del guscio. La prima utilizza un film plastico di alluminio per l'imballaggio, mentre la seconda utilizza acciaio nichelato per l'imballaggio. Il motivo per cui la pressione di scoppio della prima batteria è molto più bassa di quella della seconda è che il film di alluminio e plastica della batteria agli ioni di litio imballata in modo morbido ha una certa duttilità e una bassa resistenza meccanica. In caso di cortocircuito interno, la batteria è facile da rigonfiare e da esaurire, riducendo il rischio di esplosione. La batteria a guscio d'acciaio è una struttura chiusa, che produce una grande potenza esplosiva in caso di esplosione.

La differenza tra i risultati della batteria flessibile a spirale e della batteria flessibile laminata risiede nella diversa struttura delle celle. La cella a spirale è composta da una lastra positiva, una negativa e due diaframmi, che vengono avvolti dalla macchina avvolgitrice per formare una resistenza interna di circa 50 m Ω. Le celle della batteria flessibile laminata sono impilate alternativamente con le piastre elettrodiche positive e negative e il diaframma, dove il diaframma ha una forma a Z. La batteria laminata è equivalente a più batterie in parallelo, con una resistenza interna di circa 10 m Ω.

Inoltre, poiché il numero di strati forati del nucleo elettrico di tipo avvolgente è maggiore di quello del nucleo elettrico laminato, l'area di contatto del cortocircuito è maggiore e il calore generato è maggiore. Pertanto, la temperatura superficiale della batteria flessibile a spirale è superiore di 108 ℃ rispetto a quella della batteria flessibile laminata. In conclusione, la batteria flessibile laminata ha le migliori prestazioni di sicurezza.

Conclusione

I risultati della ricerca mostrano che la batteria con cassa in acciaio di tipo 18650 presenta gravi fenomeni di accensione e combustione nell'esperimento di agopuntura. Durante il test di sovraccarico a 3 C,5 V, la batteria flessibile di tipo avvolto presenta fenomeni di rigonfiamento, accensione e combustione, mentre la batteria flessibile laminata presenta solo fenomeni di rigonfiamento. La batteria con involucro in acciaio non presenta alcun rischio potenziale evidente per la sicurezza, grazie alla protezione della propria valvola di sicurezza. Pertanto, la struttura delle celle e il materiale dell'involucro della batteria sono fattori importanti che influenzano le prestazioni di sicurezza delle batterie agli ioni di litio.