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Test di schiacciamento delle batterie agli ioni di litio - Parte 1

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Test di schiacciamento delle batterie agli ioni di litio - Parte 1

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Guidati e sostenuti dalle politiche, i veicoli elettrici sono entrati in un periodo di rapido sviluppo. Il governo e i principali produttori di motori hanno formulato piani di sviluppo corrispondenti per i veicoli elettrici. In futuro, i veicoli elettrici sostituiranno gradualmente quelli a carburante tradizionale. Tuttavia, dopo una serie di collisioni di veicoli elettrici, si sono verificati nuovamente incendi e persino esplosioni, che hanno portato la gente a concentrarsi sulla sicurezza dei veicoli elettrici. Il veicolo elettrico utilizza principalmente la batteria di alimentazione come fonte di energia, il che comporta una serie di problemi come il pacco della batteria di alimentazione, il cablaggio ad alta e bassa tensione e la protezione dell'estremità del carico. Tuttavia, a causa delle caratteristiche dell'alta tensione e dell'energia elettrica integrate, è necessario concentrarsi sulla disposizione della batteria di alimentazione sul veicolo e sulla protezione dalle collisioni.

Le leggi e i regolamenti esistenti propongono standard di rilevamento corrispondenti per l'abuso meccanico dei pacchi batteria. Tuttavia, nelle condizioni stradali reali, le forme degli incidenti automobilistici sono diverse e c'è il rischio che i pacchi batteria vengano schiacciati dopo la collisione dei veicoli, provocando incendi ed esplosioni. Pertanto, è necessario studiare la sicurezza delle batterie elettriche in caso di collisione.

Alcuni studiosi hanno studiato la sicurezza delle batterie a partire dai componenti utilizzati nelle batterie, come i materiali degli elettrodi, i separatori e i componenti dell'elettrolito. Esiste anche una serie di studi sperimentali sulla batteria di potenza, come i test di indentazione, di flessione a tre punti, di agopuntura e di caduta del peso, per esplorare la risposta meccanica della batteria di potenza sotto carico. Viene inoltre effettuata un'analisi di simulazione della struttura del pacco batterie e delle prestazioni di crash dei veicoli a nuova energia, in modo da fornire indicazioni per la progettazione della sicurezza strutturale dei veicoli con batterie di potenza.

In questo lavoro, un certo tipo di batteria agli ioni di litio è stato preso come oggetto di ricerca e il test di estrusione è stato effettuato in diverse direzioni della cella. Attraverso la raccolta dei dati relativi alla pressione di estrusione, alla temperatura e alla tensione, è stata individuata la direzione di debole resistenza all'estrusione della cella. Quindi, la tolleranza al danno da estrusione della cella viene ulteriormente determinata attraverso l'analisi di diverse condizioni di carico. In secondo luogo, si analizza la capacità antiestrusione dei moduli in diverse direzioni.

1.Fuga termica della batteria di potenza

Prendendo come esempio la batteria agli ioni di litio, il suo principale meccanismo di funzionamento prevede la delitizzazione e l'inserimento del litio nei materiali del catodo e dell'anodo, nonché la trasmissione e la diffusione degli ioni di litio nell'elettrolita (massa) e nei materiali del diaframma. La maggior parte dei problemi di sicurezza delle batterie elettriche è direttamente correlata alla composizione del materiale della batteria. A causa di abusi meccanici, come il surriscaldamento della batteria, il sovraccarico, lo scaricamento, l'impatto, l'estrusione e così via, si verificano reazioni chimiche tra i materiali interni della batteria, che portano a un riscaldamento anomalo e, infine, a incidenti con incendi ed esplosioni.

In seguito a un incidente automobilistico, la struttura della batteria si deforma dopo essere stata colpita e schiacciata, provocando il cedimento dei materiali dei componenti interni, tra cui la rottura del diaframma o la rottura dei materiali del catodo e dell'anodo, con conseguente cortocircuito interno; il cortocircuito interno genera una grande quantità di calore Joule, che porta alla decomposizione dei materiali nella singola batteria. Quando la temperatura è compresa tra 80 ℃ e 120 ℃, l'interfaccia dell'elettrolita solido (SEI) si decompone per prima.

Quando la reazione di decomposizione della membrana SEI procede in una certa misura, si verifica una serie di reazioni chimiche successive. La fuga termica della batteria agli ioni di litio può essere suddivisa nelle seguenti cinque fasi di reazione in base all'aumento di temperatura: Reazione di decomposizione della membrana SEI, reazione dell'elettrodo negativo e dell'elettrolita, reazione di decomposizione della sostanza attiva positiva, reazione dell'adesivo e reazione di decomposizione dell'elettrolita. La reazione di generazione del calore all'interno della batteria produrrà anche una grande quantità di gas e la pressione all'interno della struttura aumenterà rapidamente e si accumulerà; quando la pressione raggiungerà il limite di sopportazione della struttura, potranno verificarsi incendi ed esplosioni. Quando una singola batteria si guasta, si diffonderà rapidamente anche alle batterie adiacenti, portando al guasto del sistema di batterie, con conseguenze più gravi.

Quando la batteria di alimentazione è in cortocircuito, la tensione inizia a diminuire e la temperatura ad aumentare, quindi la temperatura e la tensione possono essere utilizzate come base di giudizio per il guasto della batteria di alimentazione. Considerando che la temperatura dopo il cortocircuito interno può essere trasferita alla superficie della batteria solo per un certo periodo di tempo ed è fortemente influenzata dalla temperatura ambientale, rispetto alla temperatura, la tensione è un parametro che può giudicare in modo relativamente rapido e preciso il guasto da cortocircuito della batteria di alimentazione. Il valore critico del guasto da estrusione di questo tipo di batteria può essere determinato dall'aumento della temperatura e dall'inizio del calo di tensione.

La Figura 1 mostra i dati relativi alla temperatura e alla tensione raccolti durante il processo di fuga termica della cella che viene schiacciata nel test. Entro 0~36s, la cella viene spremuta in una certa misura, la tensione è ancora stabile a 4,14V e la temperatura della batteria è di 26,2 ℃; durante 37-38s, la tensione scende a 2mV e la temperatura della batteria aumenta a 30,5 ℃; quando il carico raggiunge i 50 s, la tensione misurata è sempre di 2 mV e la temperatura sale a 131 ℃. Durante 50~51s, la temperatura della batteria è passata da 131 ℃ a 614 ℃, quindi si è verificato un incendio e un'esplosione.

La Figura 2 mostra il fenomeno del fumo, dell'incendio e dell'esplosione quando il calore di estrusione di una singola batteria è fuori controllo durante il test.

2.Test di schiacciamento della batteria di alimentazione

La batteria di alimentazione è generalmente posizionata sotto il pavimento del veicolo. In caso di collisione frontale o di tamponamento, lo spazio di assorbimento dell'energia davanti e dietro il veicolo è sufficiente, la deformazione strutturale del pavimento è minima e il pacco batterie non subisce danni a causa dell'estrusione; tuttavia, quando il veicolo è soggetto a un impatto laterale, lo spazio di assorbimento laterale dell'energia è ridotto e la forza d'urto viene trasmessa alla trave del pavimento, al canale centrale e ad altre aree attraverso la soglia. Il pacco batterie di potenza può essere facilmente schiacciato e danneggiato, causando così danni ai moduli interni e al monomero. Pertanto, può fornire una base per la progettazione del layout sicuro dei pacchi batteria e per la valutazione dei guasti nella simulazione per determinare la tolleranza ai danni da estrusione delle singole celle, testando e studiando i danni e i guasti delle celle e dei moduli della batteria in condizioni di estrusione.