Test d'impatto della batteria al litio

Test d'impatto della batteria al litio

Grazie ai vantaggi della leggerezza, dell'alta tensione, dell'elevata equivalenza elettrochimica e dell'alta conducibilità del litio metallico, le batterie primarie al litio composte da litio metallico come elettrodo negativo presentano i vantaggi di un'elevata energia specifica, di un'alta tensione di batteria, di un ampio intervallo di temperatura operativa, di buone prestazioni a bassa temperatura e di una lunga durata di conservazione. Sono state commercializzate batterie primarie al litio per sistemi chimici.

Tuttavia, a causa dell'elevata attività del litio, la sicurezza delle batterie primarie al litio è diventata un problema degno di nota. Alcune batterie ad elettrolita organico e le batterie al litio ad elettrolita inorganico non acquoso possono esplodere in caso di cortocircuito o di altre condizioni avverse. Pertanto, l'analisi delle ragioni dell'esplosione delle batterie al litio ha un significato pratico di guida per migliorare il processo di produzione delle batterie e aumentarne la sicurezza.

Il test di impatto di un oggetto pesante per le batterie primarie al litio è specificato in molti standard di prova delle batterie (come IEC 62281, UL 1642, UN 38.3). Questo esperimento simula l'abuso di un oggetto di un certo peso che cade sulla batteria, generando una forte forza d'urto in una determinata parte della batteria. Quando la batteria è sottoposta a un impatto improvviso, può subire cortocircuiti interni o altre reazioni esotermiche e persino prendere fuoco o esplodere.

Lo standard internazionale per le batterie al litio, IEC 62281, stabilisce che lo scopo dei test di impatto pesante per le batterie primarie al litio è quello di simulare i cortocircuiti interni delle batterie. In questo articolo, sei diversi tipi di batterie a bottone sono stati utilizzati come campioni per i test di impatto pesante per analizzare le cause dei fenomeni di accensione ed esplosione nelle batterie durante i test di impatto pesante.

1 Esperimento

1.1 Strumenti e materiali

Camera d'urto a prova di esplosione DGBELL. I soggetti sperimentali erano 5 normali batterie a bottone, 5 campioni di batterie contenenti solo materiale elettrolitico positivo al biossido di manganese ed elettrolita, 5 batterie contenenti solo materiale elettrolitico negativo al litio ed elettrolita, 5 batterie contenenti solo elettrolita, 5 batterie contenenti solo materiale elettrolitico positivo e 5 batterie contenenti solo materiale elettrolitico negativo, per un totale di 6 tipi di campioni.

1.2 Metodi sperimentali

Eseguire una prova d'urto di un oggetto pesante secondo le condizioni specificate nella norma "IEC 62281 Safety Requirements for Lithium Primary Batteries and Batteries in Transportation". Le condizioni specifiche sono le seguenti: la batteria campione o il pacco batterie sono collocati su una superficie piana. Un'asta del diametro di 15,8 mm è posta orizzontalmente al centro del campione. Un martello pesante di 91 kg è caduto sul campione da un'altezza di 61 ± 2,5 cm.

L'asse longitudinale della batteria cilindrica o prismatica colpita deve essere parallelo alla superficie piana e perpendicolare all'asse longitudinale della superficie curva con un diametro di 15,8 mm posta orizzontalmente al centro del campione. La batteria prismatica deve inoltre essere ruotata di 90° attorno al suo asse longitudinale, in modo da sopportare l'impatto su entrambi i lati, largo e stretto. Ogni campione è sottoposto a un solo impatto. Quando una batteria a forma di moneta o di bottone viene sottoposta a impatto, il piano del campione deve essere parallelo alla superficie piana e una superficie curva con un diametro di 15,8 mm deve essere posta orizzontalmente al suo centro. Temperatura di prova: (20 ± 5) ℃.

2 Risultato

2.1 Risultati del test

Sei campioni di batteria hanno mostrato risultati diversi nei test di impatto con oggetti pesanti. Durante il test di impatto di un oggetto pesante, è stato scoperto dalle telecamere di sorveglianza che alcuni campioni di batteria hanno generato "scintille" luminose in un istante, causando la rottura della batteria a metà.

Le caratteristiche della generazione di scintille sono:

(1) Le scintille sono relativamente luminose;

(2) talvolta accompagnate da un leggero suono di scoppio;

(3) In genere, si verifica contemporaneamente all'impatto di un oggetto pesante;

(4) Solo le batterie normali mostrano scintille durante il test;

(5) la durata è relativamente breve, di solito si interrompe subito dopo l'impatto con la batteria.

Le batterie primarie al litio contenenti solo materiali elettrodici ed elettroliti negativi, così come le batterie primarie al litio contenenti solo materiali elettrodici negativi, generano "scintille" durante il processo di impatto in alcune batterie. Tuttavia, i normali campioni di batterie al litio generano "scintille" durante il processo di impatto e l'aumento di temperatura è relativamente elevato.

2.2 Motivazione

Sulla base del principio di funzionamento delle batterie al litio-biossido di manganese e dei risultati sperimentali, si ipotizza che la ragione della "scintilla" generata durante il processo di impatto:

(1) la combustione del litio ad alte temperature si manifesta come "scintilla" generata in alcuni o tutti i tipi di campioni di batterie contenenti litio metallico durante la prova d'urto. Il litio ha un'elevata reattività chimica e può incendiarsi spontaneamente nell'aria se riscaldato allo stato fuso. La sua polvere può bruciare anche a temperatura ambiente.

Il pesante martello è caduto dall'alto e ha colpito la superficie del campione di batteria, generando istantaneamente una grande quantità di calore, facendo sì che la lastra di litio esposta all'aria a causa del cracking della batteria reagisse con l'ossigeno presente nell'aria e generasse scintille. Durante il processo di produzione delle batterie, i fogli di litio esposti all'aria non reagiscono con una piccola quantità di umidità presente nell'aria. Pertanto, in questo esperimento, il Li reagisce con l'acqua per rilasciare idrogeno e calore, e la possibilità di combustione è molto bassa.

(2) Il cortocircuito interno tra gli elettrodi positivi e negativi si manifesta come una normale batteria primaria al litio che genera "scintille" durante il processo di impatto. Dopo l'impatto, il cortocircuito interno della batteria si è verificato a causa della compressione e della rottura del diaframma. Quando si verifica un cortocircuito interno, una grande quantità di corrente attraversa la batteria, generando una quantità significativa di calore Joule. La generazione di calore provoca un riscaldamento locale all'interno della batteria, che porta a una fuga termica all'interno della batteria e, infine, a un incendio e a un'esplosione. Si può notare che entrambi i motivi di cui sopra possono causare "scintille" nel processo di impatto delle batterie primarie al litio finite, il che spiega perché la probabilità di "scintille" nel test di impatto delle batterie primarie al litio finite è più alta.

3 Conclusioni

Il fenomeno dell'accensione e dell'esplosione delle batterie primarie al litio durante le prove d'urto di oggetti pesanti può essere dovuto non solo ai cortocircuiti interni della batteria, ma anche alla combustione ad alta temperatura del litio interno.