Test di penetrazione delle unghie delle batterie agli ioni di litio

Test di penetrazione delle unghie delle batterie agli ioni di litio

L'importanza del test di penetrazione dei chiodi

Il test di penetrazione dei chiodi è un metodo di prova del cortocircuito interno che verifica la sicurezza delle batterie agli ioni di litio nel resistere ai cortocircuiti interni. Utilizzando chiodi d'acciaio si penetra nella batteria, si simula un cortocircuito interno e si esegue un test per verificare se la batteria fuma, prende fuoco o si rompe. Inoltre, il test di penetrazione dei chiodi non è solo un test per confermare la sicurezza della batteria, ma anche un test per comprendere le proprietà di base della batteria.

In condizioni normali, le piastre degli elettrodi positivi e negativi delle batterie agli ioni di litio sono isolate da una pellicola isolante polimerica nell'elettrolita organico - un separatore. In questo stato, l'inserimento del chiodo d'acciaio all'interno della batteria agli ioni di litio crea un cortocircuito tra le piastre degli elettrodi positivi e negativi, costringendo a un test di cortocircuito interno. La caratteristica di questo metodo di prova è la possibilità di regolare le condizioni di prova come il diametro, il materiale, la profondità di inserimento, la posizione di inserimento e la velocità di inserimento dei chiodi di acciaio inseriti nella batteria.

Il pericolo della penetrazione dei chiodi

La necessità di eseguire test di penetrazione dei chiodi nelle batterie agli ioni di litio significa che queste sono soggette a cortocircuiti all'interno e, se si verifica un cortocircuito, si trovano in uno stato molto pericoloso. Le batterie agli ioni di litio hanno le caratteristiche di un'alta densità di energia, di una bassa resistenza interna e di un elevato flusso di corrente, che le rendono altamente pericolose. In generale, i cortocircuiti interni delle batterie durante l'uso sono causati dalla presenza di corpi estranei conduttivi durante il processo di fabbricazione, oppure da urti o sollecitazioni esterne.

In realtà, una volta che il prodotto è stato fabbricato, è difficile adottare misure per i cortocircuiti interni nei sistemi di controllo, compresi i circuiti di carica e scarica della batteria. Quando si verifica un cortocircuito interno, all'interno della batteria si genera un'enorme corrente di cortocircuito, che a sua volta genera calore Joule. Questo calore provoca una reazione degli elettroliti organici infiammabili, producendo gas ad alta temperatura e aumentando la probabilità di fuga termica. Quando si verifica la fuga termica, possono verificarsi fumi e incendi e, nei casi più gravi, la batteria può rompersi, mettendo in pericolo la sicurezza personale dell'utente.

Dal punto di vista dell'utente, garantire la sicurezza della batteria è fondamentale per l'applicazione delle batterie agli ioni di litio. Il test dell'ago prevede l'inserimento di chiodi d'acciaio nella batteria, che possono facilmente creare un cortocircuito interno tra gli elettrodi positivi e negativi. Tuttavia, quando il chiodo viene inserito nella batteria per formare un foro sulla superficie della batteria, questo foro rilascerà gas ad alta temperatura, causando un cambiamento nello stato di dissipazione del calore interno della batteria, che può differire dalla reale situazione di cortocircuito interno.

Test del chiodo smussato

Il test obbligatorio di cortocircuito interno utilizza un perno sferico nella parte superiore, un metodo di prova in grado di creare un cortocircuito interno (piccolo cortocircuito) senza causare perforazioni sulla superficie della batteria, noto come Blunt Nail Test. Questo metodo crea un cortocircuito tra i materiali degli elettrodi (piastre positive e negative) della batteria attraverso la pressione dei chiodi, provocando solo una leggera deformazione della batteria testata. Rispetto al normale test di penetrazione dei chiodi, questo metodo è in grado di creare uno stato più vicino all'effettivo cortocircuito interno.

Preparazione della camera di prova

Per condurre questo test, inserire manualmente i chiodi nelle batterie agli ioni di litio non è assolutamente fattibile. Non tentare di farlo facilmente: i chiodi potrebbero fuoriuscire, causando lesioni alle mani e al corpo. Pertanto, è necessario utilizzare una macchina per il test degli aghi. La camera di prova per la penetrazione dei chiodi DGBELL qui utilizzata (con una pressione massima di 20 k N e una corsa di 200 mm) è stata realizzata per poter installare chiodi in acciaio di due diversi diametri (φ 3 mm φ 5 mm, 100 mm)

Misure di sicurezza

Per motivi di sicurezza, la macchina di prova è dotata di una funzione antideflagrante per evitare che incendi ed esplosioni di batterie mettano in pericolo la sicurezza del personale addetto alle prove. Per motivi di prezzo, la macchina di prova è disponibile con motori idraulici e servomotori computerizzati. I motori idraulici sono facili da usare, mentre i servomotori possono essere impostati con condizioni di prova più dettagliate, con conseguente maggiore precisione. Dotata di un sistema di acquisizione della temperatura e della tensione, i dati sulla temperatura della batteria vengono raccolti tramite termocoppie di tipo K, plug and play, con un intervallo di misurazione di 0-600 ℃. L'intervallo di raccolta della tensione è di 0-50 V. Il box di prova è dotato di dispositivi che possono fissare batterie e aghi in acciaio di diverse dimensioni. La velocità di inserimento del chiodo è regolabile da 0,1 a 80 mm/s.

Precauzioni relative

Qui si testano tre diversi tipi di batterie impilate (300 m Ah, 1000 m Ah, 2000 m Ah). I dati da misurare sono i seguenti:

Variazione della tensione del terminale della batteria nel tempo

Temperatura superficiale della batteria

Cambiamenti nell'aspetto e nella forma della batteria dopo la penetrazione del chiodo

Prima di condurre l'esperimento, è necessario predisporre con cura le misure di prevenzione degli incendi e di sicurezza, come ad esempio evitare gli schizzi, lasciare uno spazio sufficiente per la manutenzione della macchina di prova e assicurarsi che il sistema di estinzione degli incendi possa funzionare normalmente.

Differenze causate dalle condizioni di penetrazione del chiodo

Sulla base di diversi risultati sperimentali, compresi i risultati dei test di cui sopra, si possono dedurre i seguenti fatti.

(1) Nel punto di perforazione, la tensione del terminale si abbassa notevolmente e scende gradualmente a 0 V. Quando la tensione si abbassa in una certa misura, si verificano fluttuazioni significative nella curva di tensione.

(2) Nella fase di variazione significativa della tensione dalla punta dell'ago al terminale, i risultati del test variano anche in base ai diversi tipi di batteria e alle condizioni dell'ago, ma la tensione del terminale scende a 0 V dopo 10-20 secondi.

(3) Quando si testano batterie della stessa capacità, più l'ago è spesso, maggiore è la variazione della tensione terminale.

Misurazione della temperatura superficiale della batteria

Dopo la penetrazione del chiodo, la temperatura superficiale della batteria impilata può essere ottenuta nel tempo attraverso un sistema di acquisizione della temperatura. Utilizzando φ La variazione della temperatura superficiale misurata durante il test di foratura di una batteria impilata da 2000 m Ah con un chiodo in acciaio da 5 mm.

Aumento della temperatura dopo la penetrazione del chiodo

Durante il test di perforazione di una batteria impilata da 2000 m Ah con un chiodo d'acciaio da 5 mm, si è verificata una situazione di incendio e di temperatura superiore a 200 ℃. Inoltre, durante il test di campioni di batterie da 1000 m Ah, è scoppiato un incendio in seguito alla perforazione di un chiodo di acciaio da 3 mm. Nel test di perforazione condotto con un chiodo d'acciaio da 5 mm, non solo si è verificato un incendio, ma la temperatura della batteria è aumentata in modo significativo. Inoltre, abbiamo testato diversi campioni di batteria utilizzando chiodi d'acciaio di diametro diverso e l'andamento dell'aumento della temperatura nel tempo è simile a quello della figura precedente. Inoltre, la temperatura massima misurata per le diverse celle della batteria può essere inferiore a 100 ℃.

Riassunto

Questo test, cortocircuitando gli elettrodi positivo e negativo, converte istantaneamente l'energia elettrica immagazzinata all'interno della batteria in energia termica, generando un calore sufficiente a far bruciare ed esplodere l'elettrolito. Dal punto di vista energetico, il calore generato dall'accensione della benzina è quasi lo stesso. Che test pericoloso! Credo che abbiate già una certa conoscenza, non è facile implementare questo test. Tuttavia, come valutazione della sicurezza per la progettazione e la produzione di batterie, il test di penetrazione delle unghie può essere implementato senza dover ricorrere a grandi finanziamenti, e i risultati delle misurazioni possono essere riflessi nella produzione. Infine, le batterie agli ioni di litio sono sicure se utilizzate entro l'intervallo nominale specificato dal produttore. Il superamento dell'intervallo nominale, come il ripetuto sovraccarico o scaricamento, può causare l'incendio o il danneggiamento della batteria.