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Test di penetrazione delle unghie delle batterie agli ioni di litio

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Test di penetrazione delle unghie delle batterie agli ioni di litio

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Le batterie agli ioni di litio sono state ampiamente utilizzate nei dispositivi portatili, nelle apparecchiature scientifiche, nei veicoli per il trasporto spaziale e nei sistemi satellitari grazie alla loro elevata tensione ed energia specifica, all'ampio intervallo di temperatura di funzionamento, alla lunga durata di conservazione, all'assenza di inquinamento ambientale e all'assenza di effetto memoria. Tuttavia, se le batterie agli ioni di litio subiscono cortocircuiti interni, cortocircuiti esterni, sovraccarichi o vengono utilizzate in ambienti ad alta temperatura, il calore Joule e il calore di reazione all'interno della batteria aumentano drasticamente, causando eventi pericolosi catastrofici come esplosioni, incendi e fughe termiche.

Al fine di testare le prestazioni di sicurezza delle batterie agli ioni di litio, le organizzazioni competenti, come i laboratori Writers Laboratories Japan Battery Association (JBA) e Chinese National Standards (GB), hanno successivamente sviluppato standard di test di sicurezza per le batterie agli ioni di litio. I test di sicurezza comunemente utilizzati comprendono attualmente quattro aspetti: prestazioni termiche, prestazioni meccaniche, prestazioni elettriche e test di adattabilità ad ambienti estremi.

Il test di penetrazione delle unghie viene utilizzato per valutare il cortocircuito interno delle batterie agli ioni di litio causato dal deposito di litio, da difetti di fabbricazione o da altri motivi, oppure la situazione di oggetti simili ad aghi che perforano le batterie agli ioni di litio.

Attualmente, gli incidenti di sicurezza causati dalla penetrazione di un chiodo presentano problemi di meccanismi poco chiari e scarsa ripetibilità. Il miglioramento della progettazione delle batterie è una direzione importante per aumentare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio, studiando e analizzando il meccanismo e i fattori che influenzano la fuga termica durante il processo di penetrazione dei chiodi nella batteria. Questo articolo analizzerà e riassumerà la situazione di cortocircuito interno in condizioni di penetrazione del chiodo, introdurrà i metodi di ricerca esistenti per gli esperimenti di penetrazione del chiodo, analizzerà i rispettivi vantaggi e infine proporrà metodi per migliorare il modello di penetrazione del chiodo per il passo successivo di stabilire un modello accurato di penetrazione del chiodo della batteria agli ioni di litio come riferimento.

1 Test di sicurezza per la penetrazione delle unghie delle batterie agli ioni di litio

Il test di penetrazione del chiodo per le batterie agli ioni di litio viene condotto utilizzando un ago di acciaio resistente alle alte temperature da φ 5~ φ 8 mm (con un angolo della punta dell'ago di 60° e una superficie liscia senza ruggine, strato di ossido e macchie d'olio) che deve essere inserito a una velocità di (25 ± 5) mm/s dalla direzione perpendicolare alla piastra dell'elettrodo della batteria e la posizione di penetrazione deve essere vicina al centro geometrico della superficie di penetrazione del chiodo (l'ago di acciaio rimane nella batteria). Il cortocircuito all'interno della batteria deve essere innescato artificialmente e osservato per un certo periodo di tempo. Il test di penetrazione del chiodo è illustrato nella Figura 1. Se la batteria non prende fuoco, non fa fumo e non esplode, supera il test di penetrazione dei chiodi. In caso contrario, non lo supererà. L'esperimento di penetrazione dei chiodi studia principalmente gli effetti della velocità di penetrazione dei chiodi, della posizione di penetrazione dei chiodi, dello stato di carica, della capacità della batteria, ecc. sulla sicurezza della batteria.

Durante il processo di penetrazione dei chiodi nelle batterie agli ioni di litio, i cortocircuiti interni possono essere causati in quattro diverse situazioni

(1) Il cortocircuito interno si verifica tra i collettori di corrente positivi e negativi (foglio di alluminio e foglio di rame)

(2) si verifica tra il foglio di alluminio e l'elettrodo negativo

(3) Si è verificato tra l'elettrodo positivo e quello negativo

(4) Si verifica tra il foglio di rame e l'elettrodo positivo di gate.

D'altra parte, durante il processo di penetrazione dei chiodi delle batterie agli ioni di litio, spesso si innesca più di un tipo di cortocircuito interno e la situazione del cortocircuito interno si evolve nel tempo. Questo è il motivo alla base del meccanismo poco chiaro del cortocircuito interno e della scarsa ripetibilità durante il processo di test di penetrazione dei chiodi delle batterie agli ioni di litio.

Secondo le conoscenze attuali, il processo di base del cortocircuito interno causato dalle batterie agli ioni di litio durante il processo di penetrazione dei chiodi è il seguente: In primo luogo, il calore Joule generato dal cortocircuito interno provoca un rapido aumento della temperatura locale della batteria. Quando la temperatura raggiunge un certo valore, provoca la decomposizione della membrana SEI (80-120 ℃) e la fusione della membrana (165 ℃). La decomposizione delle membrane SEI e la fusione delle membrane generano più calore, che favorisce la decomposizione dell'elettrolita (130-300 ℃) e la reazione di riduzione dell'elettrodo negativo (100-400 ℃), mentre la reazione di ossidazione dell'elettrodo positivo (160-400 ℃) porta infine a un riscaldamento incontrollato.

I parametri che devono essere verificati nel test di sicurezza della penetrazione dei chiodi includono

(1) Variazioni di temperatura nelle diverse posizioni delle batterie agli ioni di litio durante il processo di penetrazione delle unghie

(2) Variazioni di tensione nelle batterie agli ioni di litio durante il processo di penetrazione delle unghie

(3) Il tasso di auto riscaldamento, la temperatura iniziale di fuga termica, il livello di reazione e il coefficiente di Arrhenius delle batterie agli ioni di litio durante il processo di piercing.

Questi parametri sono utilizzati per analizzare le possibili reazioni che possono verificarsi durante il processo di penetrazione delle batterie agli ioni di litio, nonché il verificarsi di una fuga termica. Attualmente, gruppi di ricerca nazionali e internazionali hanno analizzato il processo e il suo impatto sulla sicurezza delle batterie da diverse prospettive attraverso esperimenti di penetrazione delle unghie.

2 Risultati effettivi dei test

Il test di penetrazione dei chiodi è stato condotto su una batteria agli ioni di litio 18650 con una capacità di 22 Ah e ha rilevato che, all'aumentare della velocità di penetrazione dei chiodi, aumentava la probabilità che la batteria agli ioni di litio superasse il test di sicurezza. Dopo aver studiato l'effetto della velocità dell'ago sulla sicurezza delle batterie agli ioni di litio in Cina, si ritiene che la velocità dell'ago abbia un impatto relativamente piccolo sulla sicurezza delle batterie cilindriche, mentre ha un impatto significativo sulla sicurezza delle batterie soft pack. In particolare, maggiore è la velocità di penetrazione dell'ago, maggiore è la possibilità di fuga termica della batteria. Alcuni ritengono che quando la velocità di penetrazione dell'ago è più lenta, la generazione di calore locale della batteria è maggiore.

Da ciò si evince che le conclusioni dei tre lavori sopra citati non sono coerenti. Le ragioni di questa situazione sono molteplici. In primo luogo, le strutture di avvolgimento e di impilamento sono diverse, con la batteria di tipo avvolgente che presenta un contatto più stretto tra gli strati. In secondo luogo, quando la velocità di penetrazione del chiodo è bassa, da un lato l'estensibilità del diaframma protegge la batteria e impedisce il verificarsi di cortocircuiti interni. Dall'altro lato, quando si verifica un cortocircuito interno, la durata dell'alta corrente locale aumenta. Inoltre, i diversi spessori del foglio di rame, del foglio di alluminio, degli elettrodi positivi e negativi e dei separatori possono portare a risultati di prova diversi a diverse velocità di perforazione dell'ago.

Hanno condotto test di perforazione dell'ago su batterie agli ioni di litio completamente cariche utilizzando aghi cubici in acciaio con dimensioni di 40 mm x 1,5 mm x 1,5 mm da diverse posizioni della batteria. Hanno scoperto che la posizione al centro del bordo verde della batteria, lontana dalla direzione dell'orecchio del polo, causava il maggiore aumento di temperatura e la peggiore sicurezza. Ritengono che la ragione principale di questo fenomeno sia la scarsa conducibilità termica del separatore del bordo della batteria, che limita la dissipazione termica delle batterie agli ioni di litio.

Sono stati condotti test di penetrazione dei chiodi su batterie 18650 agli ioni di litio con una capacità nominale di 22 Ah in diversi stati di carica (SOC). È emerso che, al diminuire del SOC, aumenta la probabilità che le batterie agli ioni di litio superino i test di sicurezza. Questo perché più alto è lo stato di carica, più alta è la tensione iniziale della batteria. Ciò aumenta ulteriormente la corrente di cortocircuito interna e prolunga il tempo di cortocircuito. Di conseguenza, la sicurezza dei test di penetrazione delle batterie agli ioni di litio peggiora.

L'analisi della penetrazione dei chiodi nelle batterie agli ioni di litio da 604-1104 m Ah, completamente cariche, ha evidenziato che più alta è la capacità della batteria, peggiore è la sicurezza dei test di penetrazione dei chiodi nelle batterie agli ioni di litio.

Inoltre, ha condotto un'analisi dei test di penetrazione dei chiodi sulle batterie agli ioni di litio polimeriche che utilizzano separatori in ceramica. Hanno raccolto la temperatura di più batterie con diversi SOC nell'area di penetrazione del chiodo e sulla superficie della batteria, le variazioni di tensione delle batterie e lo stato di sbavatura delle batterie agli ioni di litio dopo la penetrazione del chiodo. Su questa base hanno analizzato il meccanismo di penetrazione dell'unghia. Si ritiene che il processo di perforazione dell'ago attraverso la batteria faccia sì che le bave di alluminio e le bave di rame si colleghino, formando un cortocircuito interno tra il foglio di alluminio e il foglio di rame.

La temperatura della zona di cortocircuito locale aumenta con la generazione di calore Joule. Se la temperatura raggiunge la temperatura di fusione dell'alluminio, le bave di alluminio si fondono e bruciano, causando un cortocircuito con le bave di rame. Si possono riassumere in tre modelli: Modello A, in cui le bave di alluminio si fondono e le bave di rame non entrano più in contatto. Le bave di alluminio del modello B non si fondono e formano un cortocircuito interno a contatto con le bave di rame. Le bave di alluminio del modello C non si fondono completamente e, dopo un certo periodo di tempo, entrano nuovamente in contatto con le bave di rame, formando un cortocircuito interno. I ricercatori ritengono che la modifica della combustione e della fusione delle bave di alluminio rappresenti una nuova direzione per la progettazione della sicurezza delle batterie.

Nell'esperimento di penetrazione dei chiodi non solo è stata registrata la temperatura in prossimità dell'ago della batteria, la temperatura dell'elettrodo e la tensione della batteria, ma sono state registrate anche le variazioni di pressione sulla superficie della batteria, trovando una chiara corrispondenza tra il picco di pressione sulla superficie della batteria e il picco di temperatura sulla batteria.

I ricercatori ritengono che, oltre alla tensione e alla temperatura della batteria, la sicurezza di quest'ultima possa essere descritta anche dall'aumento di altre grandezze di misura, come la pressione. L'esperimento di cui sopra consente di analizzare in modo più realistico la penetrazione dei chiodi nelle batterie agli ioni di litio attraverso metodi sperimentali. Tuttavia, il tipo di cortocircuito che si verifica all'interno della batteria durante il test di penetrazione dei chiodi è solo una speculazione e non ha un buon supporto teorico. Il modello di penetrazione dei chiodi delle batterie agli ioni di litio è un altro metodo per analizzare il meccanismo di penetrazione dei chiodi delle batterie agli ioni di litio e migliorare le loro prestazioni di sicurezza.

3 Conclusioni

Questo articolo riassume l'analisi sperimentale del processo di perforazione dell'ago nelle batterie agli ioni di litio. Tra questi, la modellazione e la simulazione del processo di penetrazione del chiodo della batteria è uno strumento importante per studiare il meccanismo di penetrazione del chiodo della batteria, migliorare la progettazione della struttura della batteria e migliorare le prestazioni di sicurezza della batteria. Attualmente, il metodo sperimentale non è in grado di indicare chiaramente il problema della sicurezza della penetrazione dei chiodi della batteria. Tuttavia, i modelli di penetrazione dei chiodi esistenti non sono sufficienti a descrivere accuratamente il processo di penetrazione dei chiodi e il cortocircuito interno causato dalle batterie agli ioni di litio. Pertanto, migliorare e perfezionare ulteriormente il modello di penetrazione dei chiodi nelle batterie agli ioni di litio è un mezzo importante per migliorare l'analisi della sicurezza dei cortocircuiti interni nelle batterie.