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Test di sicurezza termica della batteria agli ioni di litio

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Test di sicurezza termica della batteria agli ioni di litio

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Le batterie agli ioni di litio hanno grandi prospettive di applicazione grazie alla loro elevata densità energetica e alla bassa autoscarica. Tuttavia, durante l'uso si genera una grande quantità di calore e la temperatura interna della batteria aumenta rapidamente. Spesso si verificano incidenti caratterizzati da un'esplosione termica, con conseguenti gravi conseguenze. Pertanto, lo studio della sicurezza termica delle batterie è molto necessario.

Studiosi nazionali ed esteri hanno condotto una serie di studi sulla sicurezza delle batterie. Tra questi, ma non solo, ci sono:

Analizzare i fattori che influenzano i test di sicurezza delle batterie.

Le curve caratteristiche della tensione di esercizio e dell'aumento di temperatura delle batterie agli ioni di litio sono state studiate attraverso esperimenti.

Sono stati analizzati statisticamente una serie di processi evolutivi degli incidenti alle batterie di potenza ed è stato proposto che il problema principale degli incidenti alle batterie è la fuga termica.

Proporre tecnologie di sviluppo molto avanzate per le batterie di potenza, tra cui un elettrolito che non può evaporare o perdere e l'imballaggio delle batterie con materiali robusti.

Sulla base dell'analisi dei tipici incidenti di incendio delle batterie in patria e all'estero, sono stati proposti alcuni possibili metodi di controllo, tra cui il miglioramento della stabilità termica dei materiali delle batterie, l'utilizzo di elettroliti sicuri e la progettazione di nuovi sistemi di spegnimento.

Le caratteristiche di funzionamento delle batterie agli ioni di litio e l'influenza di fattori quali la velocità di carica e scarica e la temperatura ambientale sulle prestazioni della batteria sono state analizzate attraverso esperimenti.

È stato analizzato il processo di generazione di calore della batteria, compresa la decomposizione del film SEI, dell'elettrolita e dell'elettrodo positivo, nonché la reazione tra elettrodo negativo ed elettrolita, elettrodo negativo e adesivo.

Il controllo della temperatura della batteria mediante l'accumulo termico di materiali a cambiamento di fase è stato studiato attraverso metodi sperimentali e di calcolo numerico.

Attraverso l'analisi dei dati sperimentali, è stato discusso l'impatto della velocità di carica e scarica, della temperatura ambientale e dello stato di carica sulle caratteristiche termiche delle batterie. L'impatto di tassi di carica e scarica più elevati, di condizioni ambientali più basse e di uno stato di carica più elevato sull'aumento della temperatura delle batterie. Allo stesso tempo, è stata analizzata la proporzione della resistenza interna ohmica e della resistenza interna di polarizzazione nel processo di carica e scarica della batteria agli ioni di litio.

1 Prova

Il sistema sperimentale per la risposta al riscaldamento elettrico della batteria di potenza in carica e scarica comprende principalmente la batteria, la camera a temperatura costante, il dispositivo di carica e scarica, la termocoppia, il dispositivo di acquisizione dati, il computer, ecc. La batteria adotta una batteria di potenza quadrata al litio ferro fosfato (130 mm x 70 mm x 22 mm), con una capacità nominale di 20 Ah per le singole batterie.

Per la carica e la scarica si utilizzano apparecchiature di prova automatiche per ottenere una corrente di carica e scarica costante. Utilizzare uno strumento di acquisizione dati per raccogliere la temperatura superficiale della batteria, dove la termocoppia è di tipo K. Le termocoppie sono disposte al centro degli elettrodi positivi e negativi della batteria, nonché sulla parte anteriore e laterale della batteria. Avvio controllato da computer e registrazione sincrona dei dati.

Sono stati condotti esperimenti di simulazione di batterie di potenza a cella singola, con carica e scarica a corrente costante a 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C e 1 C, per verificare le variazioni della temperatura superficiale della batteria durante il processo di carica e scarica in condizioni di dissipazione naturale del calore ambientale. Caricare a 3,6 V e scaricare a 2,0 V per completare l'esperimento.

2 Risultati e analisi

La variazione della temperatura e della resistenza interna della batteria nel tempo in diversi punti di misurazione durante la carica a 1 C di corrente costante. Si può notare che l'andamento dell'aumento della temperatura nelle diverse posizioni della superficie della batteria è simile. L'aumento della temperatura è relativamente lieve prima del processo di carica per 2500 s, ma dopo 2500 s, la temperatura in vari punti della superficie della batteria aumenta bruscamente. L'analisi suggerisce che, al termine della carica, la polarizzazione della batteria diventa evidente e la resistenza interna della polarizzazione aumenta, portando a un forte aumento del tasso di riscaldamento della batteria.

Confrontando le temperature in diversi punti, la temperatura della batteria non è calibrata in modo uniforme. Al termine della carica, la differenza massima di temperatura può raggiungere i 10 ℃.

Riassumere la legge di variazione della resistenza interna totale della batteria nel tempo durante il processo di carica a corrente costante di 1 C. Si può notare che la resistenza interna totale della batteria non cambia molto durante il processo di carica. Solo nella fase finale della carica, la polarizzazione della batteria aumenta bruscamente e l'aumento della resistenza interna di polarizzazione porta a un aumento della resistenza totale.

Al termine della carica di una batteria a singola potenza, l'aumento della temperatura della batteria varia in funzione della corrente di carica. Gli aumenti di temperatura corrispondenti per la carica a 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C e 1 C sono rispettivamente 11,9 ℃, 14,5 ℃, 28,5 ℃ e 38,6 ℃. Si può notare che maggiore è la velocità di carica, maggiore è la potenza di riscaldamento della batteria. In condizioni di trasferimento di calore per convezione naturale, maggiore è l'aumento di temperatura sulla superficie della batteria.

Processo di scarica della batteria a cella singola a 1 C di corrente costante: le variazioni di temperatura in vari punti della superficie della batteria nel corso del tempo. Si può notare che l'andamento dell'aumento di temperatura nelle diverse posizioni è simile: durante il relè di scarica, la temperatura aumenta di circa 25,2 ℃.

Al termine della scarica di una batteria di potenza singola, l'aumento della temperatura della batteria varia in funzione della corrente di carica. Gli aumenti di temperatura corrispondenti per la carica a 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C e 1 C sono rispettivamente 7,4 ℃, 15,8 ℃, 23,8 ℃ e 25,2 ℃. Si può notare che maggiore è la velocità di scarica, maggiore è l'aumento della temperatura sulla superficie della batteria.

3 Conclusioni

Conducendo il processo di carica e scarica su una batteria a cella singola da 20 Ah e misurando la temperatura in diverse posizioni sulla superficie della batteria, si è ottenuta una serie di modelli. Il processo di carica a corrente costante di una batteria a singola potenza determina un forte aumento della temperatura della batteria al termine del periodo di carica. La distribuzione della temperatura delle singole batterie non è uniforme e la temperatura degli elettrodi positivi e negativi della batteria è superiore a quella delle altre aree.