Test di fuga termica della batteria al litio

Test di fuga termica della batteria al litio

Negli attuali prodotti commerciali a base di batterie agli ioni di litio, il processo di carica e scarica della batteria è spesso accompagnato dalla generazione di calore. Se la batteria genera troppo calore durante il processo di carica e scarica e non è in grado di dissiparlo tempestivamente, si può verificare un degrado significativo e una riduzione delle prestazioni della batteria a causa dell'accumulo di calore durante la carica e la scarica. Quando la temperatura sale al punto da fondere il separatore interno della batteria, causando un cortocircuito tra gli elettrodi positivi e negativi, la batteria può comportare il rischio di esplosione e altri pericoli. Pertanto, lo studio della legge di generazione del calore e del comportamento di fuga termica delle batterie durante la carica e la scarica è fondamentale per esaminare la sicurezza delle batterie.

Di solito, durante l'uso di una batteria, la sua temperatura aumenta in modo significativo a causa dello scambio di calore tra la convezione dell'aria, la conduzione del calore e l'ambiente circostante. Tuttavia, per studiare le prestazioni di sicurezza delle batterie, è necessario considerare il comportamento di generazione del calore delle batterie in ambienti estremamente difficili - ambienti adiabatici. In un ambiente isolato, non c'è scambio di calore tra la batteria e l'ambiente, e il calore generato durante il processo di carica e scarica della batteria è completamente limitato all'interno del sistema della batteria, con maggiori probabilità di causare rischi per la sicurezza della batteria.

La generazione di calore durante il processo di carica e scarica delle batterie agli ioni di litio può essere suddivisa approssimativamente in due parti: calore reversibile (Qrev) e calore irreversibile (Qirr). Misurando l'effetto termico di una batteria in uno stato adiabatico, è possibile non solo comprendere la legge di generazione del calore della batteria durante la carica e la scarica, ma anche calcolare il bilancio energetico della batteria durante la carica e la scarica. I ricercatori hanno utilizzato diversi metodi, come la calorimetria e l'elettrochimica, per ottenere il calore reversibile e irreversibile delle batterie e hanno sviluppato un modello di generazione del calore e un metodo di simulazione termica per le batterie di potenza per autoveicoli. La calorimetria accelerata è un metodo per testare e analizzare la sicurezza termica dei campioni in condizioni approssimativamente adiabatiche.

Con la diffusione delle batterie agli ioni di litio, da un lato, i requisiti di durata e sicurezza delle batterie stanno gradualmente aumentando; dall'altro, l'utilizzo a cascata delle batterie deve anche considerare le loro caratteristiche di sicurezza. Pertanto, è urgente studiare le caratteristiche di sicurezza delle batterie a ciclo di vita, chiarire le condizioni limite di sicurezza e il rapporto di efficienza energetica delle batterie durante il loro intero ciclo di vita. Finora sono stati condotti molti studi sulle caratteristiche termiche delle celle delle nuove batterie, ma pochi sono stati gli studi sull'impatto dell'invecchiamento sulla sicurezza delle batterie. L'invecchiamento generale può essere suddiviso in due tipi: l'invecchiamento ciclico e l'invecchiamento da accumulo.

I ricercatori hanno utilizzato la calorimetria per studiare le caratteristiche di invecchiamento e di fuga termica delle batterie agli ioni di litio in diversi processi di stoccaggio. Hanno scoperto che i parametri chiave della fuga termica, come la temperatura di partenza esotermica e la temperatura di partenza della fuga termica, aumentano con l'invecchiamento della batteria, mentre il tasso di fuga termica diminuisce. I ricercatori hanno anche studiato il comportamento in caso di abuso di riscaldamento di batterie agli ioni di litio funzionanti e fallite in condizioni di invecchiamento ciclico, stoccaggio ad alta temperatura e stoccaggio a temperatura ambiente, rilevando il processo di esplosione di gas e i gas tossici emessi dopo l'abuso.

Questo articolo prende le batterie all'ossido di cobalto e litio come oggetto di ricerca, utilizza un calorimetro ad accelerazione di velocità (ARC) per fornire un ambiente adiabatico, testa la capacità termica specifica, la generazione di calore e la fuga termica delle batterie e studia le caratteristiche termiche. Studia i processi di carica e scarica e i processi di fuga termica delle batterie in ambiente adiabatico sotto diversi cicli di invecchiamento e studia l'influenza dell'invecchiamento ciclico sulle caratteristiche termiche delle batterie.

1 Test

La batteria adotta un pacco batteria morbido con l'ossido di cobalto di litio (LCO) come elettrodo positivo e microsfere di carbonio mesofasico (CMS) come elettrodo negativo, con una capacità di 6,1 Ah e una tensione di esercizio di 3,6 V

1.1 Test di prestazione elettrochimica

Test di capacità

La temperatura di prova è di (25 ± 5) ℃ e per il test viene utilizzato un sistema di carica e scarica. La batteria viene caricata a 4,2 V con una corrente di 0,1 C, quindi si passa alla carica a tensione costante con una corrente completa inferiore o uguale a 0,01 C e si lascia riposare per 10 minuti; si scarica la batteria con una corrente costante di 0,1 C fino a 2,75 V e si ripetono i cicli di carica e scarica per tre volte per ottenere una capacità di scarica di 6,1 Ah.

Test a loop

A una temperatura ambiente di (25 ± 5) ℃, caricare la batteria con una corrente di 0,5 C a 4,1 V, quindi passare a una tensione costante fino a quando la corrente è inferiore o uguale a 0,01 C, lasciarla riposare per 10 minuti, quindi scaricarla con una corrente costante di 1 C a 2,75 V. Eseguire 500, 1000 e 1500 cicli secondo questo sistema.

Test di resistenza interna CC

A una temperatura ambiente di (25 ± 5) ℃, scaricare la batteria a una corrente costante di 0,5 C ed eseguire un test continuo della resistenza interna CC ogni 12 minuti di scarica (10% DOD). Utilizzando una corrente di 1,5 C per una scarica a impulsi di 10 secondi, i valori di tensione prima e al 5° secondo della scarica a impulsi vengono presi per calcolare la resistenza interna CC R della batteria in diversi stati di carica.

1.2 Test delle caratteristiche termiche della batteria

Test della capacità termica specifica

Eseguire un test della capacità termica specifica della batteria in un calorimetro accelerato. La batteria è sempre in un ambiente adiabatico, riscaldata da un elemento riscaldante a potenza costante, e viene registrata la curva di temperatura della batteria nel tempo. Il tasso di aumento della temperatura della batteria in stato adiabatico si ottiene adattando linearmente la curva. Per garantire l'accuratezza della misurazione, è necessario prelevare due campioni di batteria e calcolare la media dei due test.

Test di generazione di calore

Posizionare le batterie fresche o sottoposte a cicli in un calorimetro accelerato, bilanciare la temperatura tra la batteria e la camera adiabatica e avviare il sistema di carica e scarica. La carica e la scarica vengono effettuate in un ambiente adiabatico a diverse correnti di funzionamento, e vengono raccolti la temperatura superficiale della batteria e la curva della tensione della batteria nel tempo durante il processo di carica e scarica

Test di fuga termica

Eseguire un test di runaway termico sulla batteria al 100% di SOC in un calorimetro accelerato, far funzionare la modalità H-W-S in uno stato adiabatico per riscaldare la batteria e rilevare contemporaneamente la velocità di auto riscaldamento della batteria. Quando la velocità di autoriscaldamento della batteria è ≥ 0,02 ℃/min, si ritiene che si sia verificata una reazione di autoriscaldamento all'interno della batteria. Lo strumento smette di riscaldare attivamente ed entra in modalità adiabatica, seguendo l'aumento di temperatura della batteria fino a quando non si verifica la fuga termica. Raccogliere simultaneamente la temperatura superficiale della batteria e la curva di variazione della tensione della batteria nel tempo durante il processo di fuga termica.

2 Conclusioni

La generazione di calore e il comportamento di fuga termica durante il processo di carica e scarica delle batterie LCO/CMS sono stati studiati utilizzando un calorimetro accelerato adiabatico. Abbiamo studiato il comportamento della generazione di calore delle batterie a diverse velocità di carica e scarica e abbiamo analizzato gli effetti della corrente di lavoro e dell'invecchiamento ciclico sulle caratteristiche di generazione di calore delle batterie. Con l'invecchiamento ciclico della batteria, la resistenza interna e la perdita di capacità della batteria aumentano, mentre il tasso medio di generazione di calore durante la carica e la scarica e la generazione di calore totale della batteria aumentano entrambi.

Confrontando il comportamento di fuga termica delle batterie prima e dopo l'invecchiamento ciclico, è emerso che la temperatura di avvio dell'autoriscaldamento è leggermente aumentata dopo l'invecchiamento ciclico, mentre la temperatura di avvio della fuga termica è rimasta sostanzialmente invariata. Tuttavia, il tempo che intercorre tra l'autoriscaldamento e la fuga termica delle batterie si è ridotto. Per quanto riguarda il comportamento di fuga termica delle batterie, è necessario non solo prestare attenzione ai punti chiave della temperatura, come la temperatura di avvio dell'autoriscaldamento e la temperatura di fuga termica, ma anche misurare accuratamente il tasso di generazione di calore e il tempo del processo di fuga termica, al fine di valutare il comportamento di fuga termica delle batterie durante il loro intero ciclo di vita.

Analizzando le variazioni della generazione di calore e del tasso di generazione di calore durante il processo di carica e scarica delle batterie in diversi cicli di invecchiamento, si analizzano gli effetti delle variazioni di entropia ed entalpia sulle batterie. Le variazioni dei parametri termodinamici sono utilizzate come metodo di prova non distruttivo per riflettere il grado di degrado della batteria e valutarne lo stato di salute.