Considerazioni sulla sicurezza per i test sulle batterie al litio

Considerazioni sulla sicurezza per i test sulle batterie al litio

1.Introduzione

Come fonte di energia ampiamente applicata ai dispositivi portatili, la batteria agli ioni di litio presenta i vantaggi dell'alta densità energetica, dell'assenza di effetti di memoria, della lunga durata del ciclo, del rispetto dell'ambiente, ecc. Dopo che le piccole batterie agli ioni di litio hanno dominato nel settore dell'elettronica di consumo, sono state sviluppate batterie agli ioni di litio di grandi dimensioni, che si sono diffuse nelle applicazioni per automobili e reti elettriche.

L'applicazione delle batterie agli ioni di litio provoca incidenti ed esplosioni, per cui molti ricercatori nel campo della chimica delle batterie hanno studiato e analizzato le ragioni dei guasti delle batterie in varie condizioni dal punto di vista della chimica. In base a questi studi, sono stati apportati continui miglioramenti ai componenti della batteria: sono stati sviluppati diversi materiali per anodi e catodi per migliorare la stabilità chimica; è stato progettato un separatore multistrato per limitare il runaway termico; sono stati introdotti nell'elettrolita additivi appropriati per bloccare le reazioni chimiche o per scaricare la batteria stessa per mitigare il rischio di sovraccarico senza influire sulla normale carica, ecc. Anche le tecniche di produzione e di assemblaggio sono state migliorate per ridurre la probabilità di difetti. Tuttavia, le sostanze dettagliate dei componenti della batteria e la qualità dell'assemblaggio, che influiscono fortemente sulla sicurezza della batteria, rimangono poco chiare per gli ingegneri elettrici che operano nel sistema di accumulo dell'energia della batteria. Pertanto, è necessario presentare i principi della batteria agli ioni di litio, per poi acquisire una prospettiva di base sui rischi causati dalla batteria agli ioni di litio e sulle ragioni di tali rischi. Questa prospettiva fornirà agli ingegneri che gestiscono i BESS le modalità corrette per una sicurezza ben regolamentata.

2.Test di abuso della cella della batteria agli ioni di litio

In pratica, il guasto di una cella agli ioni di litio è un processo completo, che può iniziare con una qualsiasi delle reazioni esotermiche sopra menzionate e terminare con diversi pericoli, come l'espansione del corpo della batteria, la perdita di elettrolito, lo sfiato di gas, l'incendio, l'esplosione, ecc. Per stimare il livello di sicurezza delle batterie agli ioni di litio in commercio, sono stati progettati test di abuso per gli aspetti meccanici, elettrici e termici in base agli standard UL e IEC. Tutte le celle sono state completamente caricate prima dei test di abuso secondo gli standard.

2.1 Abuso termico

Le celle oggettive sono state riscaldate in una camera termica. La temperatura ambiente della camera è stata impostata a 130 ℃ con una velocità di aumento di 5℃/min. Dopo che la temperatura ambiente della camera ha raggiunto i 130 ℃, è stata mantenuta per 10 minuti e poi i campioni sono stati osservati. Sotto la temperatura, i rischi potenziali sono stati portati dal guasto SEI, dalla fusione del separatore e dall'aumento della pressione del gas dall'elettrolita. Dopo il test, non sono state osservate perdite, sfiati di gas e cadute di tensione delle celle della batteria testata.

Si osserva dalla Fig. 2 che si verifica un'espansione del corpo della cella sia per le celle di tipo prismatico che per quelle di tipo pouch. L'espansione del corpo potrebbe essere causata dalla vaporizzazione del clettrolita. Il tasso di espansione del corpo delle celle dipende dalla quantità di solvente a basso punto di ebollizione presente nell'elettrolita. La quantità esatta e la proporzione non sono chiare agli utenti. Tuttavia, in base all'osservazione, si conclude che il campione di tipo pouch mostrato nella Fig. 2(c) ha prestazioni migliori rispetto a quello della Fig. 2(b), il che indica un livello di sicurezza più elevato. Il campione di tipo prismatico della Fig. 2 (a) mostra buone prestazioni grazie all'elevata resistenza termica dovuta allo spessore.

2.2 Penetrazione del chiodo

Un chiodo di ∅ 5 mm è stato fatto penetrare nei campioni a 20 mm/s. È stato poi estratto dopo 1 minuto. In questa condizione di prova, può verificarsi un cortocircuito interno causato dal contatto diretto dei materiali positivi e negativi. Il calore generato dal cortocircuito interno può portare a reazioni di decomposizione dei componenti della batteria.

Durante il test, per tutte le celle di tipo prismatico sono stati osservati spruzzi di elettrolito e gravi fuoriuscite di gas. La tensione misurata e la temperatura superficiale di una cella sono mostrate nella Fig. 3(a). Le curve mostrano il verificarsi di un cortocircuito interno che ha causato il rilascio dell'energia immagazzinata e un calo della tensione della cella. Inoltre, la temperatura è aumentata fino a 130 8 ℃ a causa dell'energia rilasciata. La temperatura superficiale è poi scesa a un intervallo relativamente sicuro, il che significa che non si sono verificate reazioni esotermiche a catena e che il runaway termico è stato evitato dopo il test.

Per le celle di tipo pouch, non sono stati riscontrati aumenti di temperatura, spruzzi di elettrolita o sfiati di gas durante il test, tranne che in uno dei cinque campioni. Nella Fig. 3 (b), sono riportati la tensione misurata e la temperatura superficiale della cella problematica. Parte dell'energia immagazzinata è stata rilasciata attraverso il cortocircuito interno. Il cortocircuito interno è stato interrotto dal gas rilasciato dall'elettrolita, che ha espulso il corpo della cella e ha formato uno strato di isolamento tra i materiali positivo e negativo e il separatore nell'area penetrata.

Questo cortocircuito interno incompleto ha portato solo a una tensione di cella leggermente ridotta e a una temperatura di picco di 90 °C. 5 ℃. Poiché la temperatura superficiale della cella si è abbassata, il fenomeno di fuga termica non si è verificato dopo il test. La protezione di sfiato della cella di tipo prismatico è stata attivata a causa dell'elevata pressione interna, come mostrato nella Fig. 4(a). Per la cella di tipo pouch, si sono osservate espansioni del corpo, come mostrato nella Fig. 4(b). In generale, le celle di tipo pouch mostrano un livello di sicurezza più elevato rispetto alle celle di tipo prismatico.

2.3 Sovraccarico

I campioni vengono sovraccaricati con una corrente di 0,05 C. Una volta che la tensione della cella raggiunge i 5 V o il tempo di carica raggiunge i 30 minuti, il test termina. 1 C è definito come il tasso di corrente con cui la cella della batteria si scarica completamente in 1 ora, il che significa che 1 C equivale a 40 A per una batteria con capacità di 40 Ah.

Per tutti i campioni testati non sono state osservate perdite di clettrolita, gas di sfiato o altri pericoli. La dilatazione del corpo dei campioni può essere osservata dopo il test. In base alla tensione misurata della cella e alle temperature ambiente e della superficie della cella mostrate nella Fig. 5, si conclude che il fenomeno del thermal runaway non si è verificato.

2.4 Cortocircuito esterno

Tra gli elettrodi del campione è stato collegato un contattore di circuito e la resistenza di cortocircuito è stata impostata a 5 mΩ. Nelle prove iniziali del test, sono stati riscontrati incendi sul cavo o sul contattore, come illustrato nella Fig. 6. Pertanto. Nella prova successiva sono stati scelti cavi e contattori con una corrente di 1 500 A per evitare incendi nel circuito di prova.

Durante il test di tutti i campioni di tipo prismatico e di alcuni campioni di tipo pouch sono state riscontrate l'espansione del corpo, la perdita di elettrolito e lo sfiato di gas. Dopo la chiusura del contattore del circuito di prova, la temperatura della superficie della cella è salita fino a circa 100°C. Con una temperatura elevata, il corpo della cella si è espanso (come mostrato nella Fig. 7, area A) con il gas rilasciato dall'elettrolita (come mostrato nella Fig. 7, area B) e la fuoriuscita del clettrolita (come mostrato nella Fig. 7, area C). Infine, si è verificata una forte fuoriuscita di gas con l'elettrolita (come mostrato in Fig.7, area D). In base alla precedente introduzione dell'elettrolita, il gas e l'elettrolita fuoriusciti sono infiammabili. Dopo circa 10 minuti, la temperatura superficiale della cella ha iniziato a diminuire. Durante e dopo il test non si sono verificati incendi o esplosioni. Pertanto, il fenomeno di fuga termica non si è verificato.

Inoltre, il collettore di corrente dell'elettrodo positivo si è fuso immediatamente, interrompendo il cortocircuito esterno. Il fenomeno è stato osservato nella maggior parte dei campioni di tipo pouch e in un campione di tipo prismatico. La Fig. 8 mostra che la fusione dei campioni di tipo prismatico è più intensa di quella dei campioni di tipo pouch. Le scintille metalliche della Fig. 8 sono scaturite dal collettore di corrente positivo. Queste scintille metalliche possono incendiare il gas di sfiato o l'elettrolita fuoriuscito e quindi causare un incendio.