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Test di abuso termico per batterie agli ioni di litio

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Test di abuso termico per batterie agli ioni di litio

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1.Sicurezza delle batterie agli ioni di litio in condizioni di surriscaldamento

I problemi di sicurezza delle batterie agli ioni di litio si manifestano principalmente con incendi ed esplosioni causati da calore incontrollato. Le cause della fuga termica possono essere suddivise in condizioni esterne e condizioni interne. Anche la temperatura interna della batteria continua a salire quando la temperatura esterna continua a salire. Quando la temperatura sale a un certo livello, il diaframma si chiude termicamente e i poli positivo e negativo vengono isolati per garantire la sicurezza. Tuttavia, se il diaframma non si chiude in modo efficace, oppure si fonde e si rompe, o ancora si verificano contemporaneamente altre reazioni esotermiche all'interno della batteria, per cui la temperatura della batteria continua a essere elevata, possono verificarsi problemi di sicurezza. È evidente che i problemi di sicurezza causati dal surriscaldamento sono il risultato dell'azione complessiva di condizioni interne ed esterne.

Ad esempio, quando la temperatura della batteria di sistema al cobalto di litio supera il limite di sicurezza (ad esempio 150 ℃), è molto facile che la batteria si incendi o esploda a causa della stabilità termica del diaframma e della violenta reazione di ossidazione dell'elettrolita e dell'elettrodo positivo.

2.Metodo di prova per il surriscaldamento delle batterie agli ioni di litio

Attualmente, gli standard per la valutazione della sicurezza delle batterie agli ioni di litio includono principalmente standard internazionali (come gli standard IEC), standard nazionali o regionali (come gli standard JIS, GB, EN, ecc.) e standard industriali (come gli standard UL, IEEE, SJ, QB, ecc.). In questi standard, molti hanno utilizzato il "test di abuso termico" per valutare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio in condizioni di surriscaldamento, Ad esempio, il metodo di test di abuso termico specificato nella norma IEC 62133:2002 è il seguente: "Dopo aver stabilizzato la batteria completamente carica a temperatura ambiente, inserirla in un termostato con convezione naturale o a circolazione d'aria e riscaldare il termostato a 130 ℃ ± 2 ℃ alla velocità di 5 ℃/min ± 2 ℃/min. Mantenere questa temperatura e interrompere il test dopo 10 minuti per verificare se la batteria sta prendendo fuoco o sta esplodendo" Questi standard sono sostanzialmente coerenti con il metodo di prova per il test di abuso di calore, ma le condizioni di prova sono leggermente diverse.

Anche lo standard per le batterie agli ioni di litio, inventato qualche anno dopo l'invenzione della batteria primaria al litio, è stato formulato dopo lo standard per la batteria primaria al litio. Anche molti dei test di sicurezza delle batterie agli ioni di litio hanno preso spunto dalla batteria al litio primaria. Il test di resistenza al calore delle batterie agli ioni di litio ha avuto origine dal test di resistenza al calore delle batterie al litio primarie. Ad esempio, il test di abuso termico delle batterie agli ioni di litio della norma IEC 62133 è sostanzialmente coerente con il test di abuso termico delle batterie primarie al litio della norma IEC 60086-4 Pile primarie - Parte 4: Requisiti di sicurezza per le batterie al litio, sviluppata in precedenza.

3.Analisi delle condizioni di prova

3.1 Analisi del tempo di mantenimento ad alta temperatura

Negli standard esistenti, il metodo di prova delle batterie agli ioni di litio è fondamentalmente "l'incubatore si riscalda a una certa temperatura elevata a una certa velocità e si mantiene a questa temperatura per un certo periodo di tempo". Il tempo di mantenimento di questo metodo di prova inizia quando la temperatura dell'incubatrice raggiunge una certa temperatura elevata. Tuttavia, questo metodo non è equo per le diverse batterie, soprattutto per quelle di dimensioni diverse. La velocità di riscaldamento di batterie diverse non è necessariamente la stessa. A causa della grande differenza tra la velocità di trasferimento del calore della batteria agli ioni di litio e dell'aria, la velocità di riscaldamento della batteria è inferiore a quella del termostato. La temperatura della batteria agli ioni di litio non può essere completamente coerente con la temperatura del termostato. Pertanto, quando la temperatura dell'incubatore raggiunge una certa temperatura elevata, ci vorrà un certo periodo di tempo perché la batteria mantenga la stessa temperatura dell'incubatore. Poiché il materiale, la forma, le dimensioni e la qualità della batteria sono diversi, anche il tempo di bilanciamento richiesto è diverso.

Sono state scelte come campioni quattro tipiche batterie agli ioni di litio: batteria quadrata di piccola capacità, batteria cilindrica, batteria quadrata di grande capacità e batteria ai polimeri. Il campione viene messo in un incubatore che lo riscalda a 130℃ alla velocità di 5℃/min e lo mantiene per un certo periodo di tempo.

Dal confronto, si può concludere che la velocità di aumento della temperatura delle diverse batterie è molto diversa, in particolare per le batterie di grandi dimensioni, il tempo di equilibrio termico è più lungo. Dopo che la temperatura dell'incubatore sale al massimo e rimane per 10 minuti, la temperatura della superficie delle altre celle, ad eccezione del campione (cella polimerica), non è ancora salita alla temperatura massima.

In sintesi, non è lo stesso per le diverse batterie avviare la temporizzazione quando la temperatura dell'incubatore sale a una certa temperatura. Soprattutto per le batterie di grandi dimensioni, lo scopo del test e della valutazione non è stato raggiunto perché la batteria non ha raggiunto la temperatura di prova. Tuttavia, è più ragionevole monitorare la temperatura superficiale della batteria durante il test e prendere la temperatura superficiale della batteria che raggiunge una certa temperatura come condizione iniziale per la temporizzazione, ma è difficile operare perché il tempo di bilanciamento di ogni campione può essere leggermente diverso quando almeno tre campioni sono testati contemporaneamente. Il tipo di batteria utilizzato negli attuali prodotti elettronici è considerato in modo completo e rigoroso. È più appropriato considerare la temperatura dell'incubatore come condizione di prova dopo averla portata a una certa temperatura e averla mantenuta per 30 minuti.

3.2 Analisi della temperatura massima di prova

La temperatura massima che i diversi materiali delle batterie possono sopportare è diversa e la capacità di resistere a temperature più elevate significa che la batteria ha una maggiore sicurezza in condizioni di surriscaldamento. Le caratteristiche termiche dei materiali dei diaframmi sono molto importanti per la sicurezza termica delle batterie agli ioni di litio e anche la temperatura massima che i diversi materiali dei diaframmi possono sopportare è diversa. I materiali dei diaframmi comunemente utilizzati includono PE, PP e PE-PP-PE, che possono sopportare una temperatura massima di 130 ℃~150 ℃. Anche la sicurezza contro il surriscaldamento delle batterie da loro prodotte è inconsistente. I quattro campioni di batterie di cui sopra sono stati sottoposti a test di surriscaldamento rispettivamente a 130 ℃, 140 ℃, 145 ℃ e 150 ℃.

Dal test effettivo si evince che nel test di abuso di calore a 130 ℃, la batteria non ha quasi avuto una propria reazione esotermica dopo l'equilibrio termico, il che ha causato un aumento spontaneo della temperatura, mentre nei test a 135 ℃, 140 ℃, 145 ℃ e 150 ℃, la reazione esotermica si è verificata in misura variabile, e più alta è la temperatura di prova, più intensa è stata la reazione esotermica. Con l'aumento della temperatura di prova, la reazione di autoriscaldamento della batteria si intensifica gradualmente e la valutazione della sicurezza è più severa e il rischio di incendio ed esplosione aumenta.

Da quanto sopra si evince che 130 ℃ possono essere utilizzati solo come temperatura di prova di base per la valutazione dell'abuso di calore. Allo stesso tempo, la temperatura di prova può essere aumentata in base alle diverse occasioni di utilizzo della batteria. Inoltre, il test dimostra anche che se la temperatura della batteria sale fino alla temperatura impostata, se il riscaldamento non viene interrotto immediatamente, la batteria viene mantenuta alla temperatura impostata per un certo periodo di tempo per garantire che si verifichi una reazione autotermica sufficiente a valutare meglio la sicurezza contro il surriscaldamento.

4.Conclusione

I problemi di sicurezza delle batterie agli ioni di litio sono per lo più causati dalla fuga termica. Per le batterie agli ioni di litio utilizzate in occasioni speciali, si può anche pensare di valutare ulteriormente la sicurezza delle batterie agli ioni di litio aumentando la temperatura di prova, prolungando il tempo di mantenimento ad alta temperatura e altri metodi per rendere più severe le condizioni di prova.