Batteria agli ioni di litio: prova d'urto pesante

Batteria agli ioni di litio: prova d'urto pesante

Le batterie agli ioni di litio sono diventate una delle principali fonti di energia per i prodotti elettronici portatili, come le comunicazioni mobili e i computer portatili, grazie alla loro elevata energia specifica e all'alta tensione. Tuttavia, in condizioni di utilizzo improprio, come riscaldamento, sovraccarico, cortocircuito, vibrazioni, compressione, ecc. le batterie agli ioni di litio possono causare incidenti come incendi, esplosioni e persino lesioni personali, con conseguente richiamo di un gran numero di batterie agli ioni di litio.

Pertanto, il miglioramento delle prestazioni di sicurezza delle batterie agli ioni di litio è diventato una questione fondamentale per il loro sviluppo. Attualmente, molti Paesi o istituti di controllo hanno sviluppato metodi di test di sicurezza per le batterie agli ioni di litio. Le batterie agli ioni di litio devono superare i test di sicurezza per ridurre i rischi di utilizzo. Gli standard internazionali relativi alla sicurezza delle batterie al litio includono principalmente IEC 62133, IEC 62281, UL 1642, UL 2054, UN 38.3, ecc.

Nelle norme citate, il test di impatto di un oggetto pesante è un progetto che simula il cortocircuito interno delle batterie agli ioni di litio. Questo articolo ha condotto test di impatto con oggetti pesanti su diversi modelli di batterie agli ioni di litio in base ai requisiti dello standard. I risultati dei test sono stati confrontati e analizzati smontando la batteria dopo l'esperimento.

1 Test

1.1 Attrezzature e ambiente di prova

Lo strumento di prova è la camera di prova d'urto a prova di esplosione DGBELL. La temperatura ambiente durante l'esperimento è stata sempre mantenuta a (20 ± 5) ℃.

1.2 Campioni di prova

I campioni di batteria agli ioni di litio utilizzati in questo esperimento sono i seguenti: batteria agli ioni di litio cilindrica 18650; Batteria quadrata a guscio in alluminio; Batteria quadrata ai polimeri di litio

1.3 Metodi di prova

Posizionare batterie agli ioni di litio di forme diverse su una superficie piana, collocare un'asta di ferro di 15,8 mm di diametro in orizzontale al centro della batteria e far cadere un martello di 9,1 kg da un'altezza di (610 ± 15) m sulla batteria. Le batterie quadrate devono essere ruotate di 90° lungo l'asse lungo per sopportare forti impatti sia sulla superficie larga che su quella stretta. La temperatura sulla superficie della batteria durante l'esperimento è monitorata da una termocoppia attaccata alla superficie della batteria.

2 Risultati

2.1 Batterie 18650 agli ioni di litio

Dopo essere stata colpita da un oggetto pesante, sulla superficie della batteria è rimasta una profonda ammaccatura, causata principalmente dalla compressione dell'asta di ferro posta sulla superficie della batteria dopo essere stata colpita da un martello pesante. Sulla superficie del polo positivo della batteria è comparsa della ruggine, dovuta principalmente all'apertura della valvola di scarico della pressione interna durante la prova d'urto, con conseguente fuoriuscita di elettrolito. L'elettrolito, incontrando l'aria, ha prodotto sostanze corrosive che hanno provocato la corrosione del tappo del polo positivo.

Dopo aver smontato l'involucro della batteria, sono apparse delle crepe sulla superficie delle celle della batteria. Ciò è dovuto principalmente all'estensione e alla deformazione degli elettrodi causata dalla barra di ferro che schiacciava la batteria. La cella della batteria è stata dispiegata e sia l'elettrodo che la pellicola di apertura si sono rotti nel punto in cui l'asta di ferro è stata schiacciata. I materiali di rivestimento degli elettrodi positivo e negativo si sono staccati.

2.2 Batteria quadrata

(1) Batteria a guscio in alluminio

Per le batterie quadrate agli ioni di litio, esistono generalmente due forme di imballaggio: il guscio di alluminio e l'alluminio-plastica.

La batteria ha anche mostrato delle ammaccature dovute alla compressione del tondino di ferro ed è diventata molto sottile al centro. Dopo aver smontato il guscio di alluminio, si può notare che le celle interne della batteria sono state divise in due metà. Dispiegando la cella della batteria, si può notare che il rivestimento del materiale della batteria si è staccato e gli elettrodi sono rugosi. Ciò è dovuto all'impatto dell'asta di ferro sull'interno della batteria, che genera una forza di schiacciamento in direzione del piano. Inoltre, l'elevata durezza del guscio di alluminio ostacola l'estensione della cella della batteria in direzione orizzontale, provocando la formazione di grinze sugli elettrodi.

Dopo il test della superficie stretta della batteria quadrata, la direzione della superficie stretta della batteria è stata completamente schiacciata e deformata. Dopo aver smontato l'involucro della batteria, si è scoperto che le celle interne della batteria presentavano gravi fratture. Dopo aver aperto l'elettrodo, si è scoperto che il materiale attivo era caduto e il diaframma si era rotto.

(2) Batterie ai polimeri di ioni di litio

Per le batterie ai polimeri di litio confezionate in alluminio-plastica. I risultati del test della batteria sono simili a quelli delle batterie con guscio in alluminio. Tuttavia, a causa della sigillatura termica del guscio in alluminio-plastica, le celle interne della batteria sono esposte a forze esterne dopo il test della batteria. In secondo luogo, a causa dello spessore sottile della batteria con imballaggio in alluminio-plastica, essa si è divisa in due parti sotto l'impatto esterno.

2.3 Discussione dei risultati dei test

Dai risultati dei test sopra descritti, si evince che il test di impatto con un oggetto pesante può simulare il cortocircuito interno delle batterie agli ioni di litio. Nel test di impatto di un oggetto pesante, la batteria è stata sottoposta a forze esterne che hanno causato la deformazione dell'involucro della batteria. Inoltre, ha causato la deformazione della cella della batteria, provocando tensioni sugli elettrodi e sul separatore. Sotto l'azione di queste sollecitazioni, il materiale dell'elettrodo si stacca e il diaframma si rompe a causa della sua sottigliezza, provocando una conduzione elettronica diretta tra il materiale dell'elettrodo positivo e quello negativo, oppure un contatto tra il collettore di rame (alluminio) e il materiale dell'elettrodo positivo (negativo) (cioè un cortocircuito interno), con conseguente corrente di scarica localmente elevata e calore ohmico.

A causa dei cortocircuiti interni che si verificano in più punti, il calore generato provoca altre reazioni collaterali, come la decomposizione dell'elettrodo e dell'elettrolita. Durante l'esperimento si è verificato un aumento significativo della temperatura della batteria. Per il modello di batteria agli ioni di litio 18650, un cortocircuito interno ha generato una quantità significativa di gas, causando un aumento della pressione interna. Dopo aver raggiunto un certo valore, la valvola di sicurezza della batteria si è aperta per rilasciare il gas acido, evitando così il verificarsi di incidenti di sicurezza. Le batterie quadrate agli ioni di litio hanno uno spessore relativamente ridotto. In caso di impatto esterno, la batteria può rompersi o dividersi a metà. Quando si verifica un cortocircuito interno, i componenti interni della batteria sono direttamente esposti all'aria e reagiscono.

3 Conclusione

Grazie alle prove di impatto di oggetti pesanti su diversi tipi di batterie singole agli ioni di litio, si può constatare che questo metodo di prova è in grado di simulare efficacemente la situazione di cortocircuito interno delle batterie. L'analisi dello smontaggio di diversi tipi di batterie ha evidenziato la rottura degli elettrodi e del diaframma all'interno delle batterie, con conseguenti cortocircuiti interni alle batterie stesse. L'analisi e la comprensione di questo fenomeno sperimentale saranno più utili ai produttori di batterie per comprendere gli standard di prova delle batterie, migliorando così la qualità del prodotto delle batterie agli ioni di litio e aumentandone la sicurezza.