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Informazioni sul test di schiacciamento delle batterie al litio

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Informazioni sul test di schiacciamento delle batterie al litio

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A causa delle limitazioni dei materiali, della tecnologia delle batterie e dei processi di produzione, le batterie agli ioni di litio hanno sempre dovuto affrontare rischi significativi di incendio durante l'uso. La sicurezza delle batterie agli ioni di litio in caso di urti e compressioni è sempre stata al centro dell'attenzione.

In generale, gli incendi causati da forze esterne nelle batterie agli ioni di litio sono fondamentalmente causati da cortocircuiti interni dovuti a gravi deformazioni e danni, con conseguenti intense reazioni elettrochimiche e un'elevata generazione di calore all'interno della batteria, che alla fine portano alla fuga termica e all'esplosione per combustione della batteria.

Una parte degli esperimenti ha studiato l'integrità meccanica delle batterie cilindriche agli ioni di litio, ottenendo il comportamento delle batterie in presenza di diverse forze meccaniche esterne attraverso esperimenti e simulazioni numeriche. Alcuni ricercatori hanno studiato il comportamento di fuga termica delle batterie 18650 agli ioni di litio in presenza di vari metodi di schiacciamento. Anche se la batteria non viene danneggiata o rotta sotto compressione, può comunque verificarsi un incidente catastrofico. Numerosi rapporti di ricerca si concentrano maggiormente sulla teoria fondamentale della combustione termica di emergenza nelle batterie agli ioni di litio, mentre le ricerche sui test di sicurezza dello schiacciamento delle batterie agli ioni di litio sono relativamente poche.

Attualmente esistono norme per la sicurezza delle batterie agli ioni di litio, che propongono metodi sperimentali di schiacciamento specifici per le batterie e i pacchi batteria agli ioni di litio. La velocità di schiacciamento specificata è di (5 ± 1) mm/s e la deformazione di schiacciamento è del 30%. Ciò è significativamente diverso dalle condizioni di collisione e compressione sperimentate dalle batterie negli incidenti stradali reali, e anche la valutazione della sicurezza antincendio delle batterie negli standard è relativamente vaga. Solo le batterie realmente bruciate o esplose sono considerate non qualificate e il rischio di incendio delle batterie esplose o bruciate non può essere valutato in modo specifico. Pertanto, non possono soddisfare i requisiti di valutazione della sicurezza antincendio, di valutazione della sicurezza della scena del fuoco e di indagine antincendio. I criteri di valutazione della UL 1642 stabiliscono inoltre che le batterie sono considerate non qualificate solo se subiscono una combustione o un'esplosione.

Da ciò si evince che gli standard di prova esistenti sono solo criteri per valutare la qualificazione dei prodotti a batteria e non possono essere utilizzati per valutare il rischio di incendio delle batterie. L'autore di questo articolo intende condurre esperimenti sistematici di compressione su comuni batterie agli ioni di litio per studiare l'impatto delle diverse condizioni di compressione sulla sicurezza antincendio delle batterie agli ioni di litio, al fine di fornire un riferimento per la valutazione del rischio di incendio da compressione delle batterie agli ioni di litio.

1 Test

1.1 Oggetto del test

batteria agli ioni di litio 18650, SOC 50%

Batteria ICRIB1 all'ossido di litio e cobalto

Batteria all'ossido di litio cobalto ICRIB2

TCLIB3 batteria al litio nichel cobalto manganese

1.2 Metodi di prova

L'esperimento è stato condotto sulla macchina di prova orizzontale per lo schiacciamento dei chiodi delle batterie DGBELL BE-6047AP. La batteria è stata fissata nella macchina di prova con un dispositivo in modo che la direzione della piastra elettrodica della batteria fosse perpendicolare alla direzione di compressione.

Le quattro velocità di schiacciamento utilizzate nell'esperimento erano rispettivamente 50 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min e 400 mm/min, con variabili di deformazione da schiacciamento del 10%, 20%, 30%, 40% e 50%. Schiacciare la batteria a una velocità di schiacciamento costante, interrompere lo schiacciamento quando la deformazione della batteria raggiunge il valore impostato e osservare la batteria.

Durante l'esperimento, la coppia termica di tipo K del sensore di temperatura è stata fissata sull'elettrodo positivo della batteria agli ioni di litio con un nastro isolante per alte temperature. Un dispositivo di acquisizione della temperatura personalizzato è stato utilizzato per raccogliere i dati di temperatura misurati dalla coppia termica e registrare le variazioni di temperatura dell'elettrodo positivo durante l'esperimento.

2 Risultati e discussione

2.1 L'influenza delle variabili di deformazione da schiacciamento

Quando la velocità di schiacciamento è di 50 mm/min, registrare le variazioni di temperatura della superficie dell'elettrodo positivo di ciascuna batteria nel corso del tempo nell'esperimento di schiacciamento con diverse variabili di deformazione.

Dai dati sperimentali, si può notare che quando la deformazione di schiacciamento è inferiore al 20%, non vi è alcun cambiamento significativo nella temperatura superficiale dell'elettrodo positivo di ICRIB1 dopo la compressione. Solo dopo che la deformazione di schiacciamento raggiunge il 30%, la temperatura superficiale dell'elettrodo positivo di ICRIB1 mostra un aumento significativo e la velocità di aumento della temperatura accelera. La temperatura raggiunge il valore massimo entro 90 secondi e poi diminuisce lentamente

La variazione di temperatura sulla superficie dell'elettrodo positivo di ICRIB2 è simile a quella di ICRIB1 e la variazione di temperatura non è significativa quando la deformazione di schiacciamento è inferiore a quella della superficie dell'elettrodo positivo di ICRIB2. Quando la deformazione di schiacciamento è del 30%, la temperatura estrema di IRIB1 aumenta, con una temperatura massima di circa 37°C. Il tempo esotermico è più lungo e la temperatura diminuisce lentamente.

Quando la deformazione di schiacciamento è del 40%, la temperatura dell'elettrodo positivo della batteria aumenta rapidamente, raggiungendo un massimo di circa 57 ℃, e una grande quantità di elettrolito fuoriesce dall'elettrodo positivo. Quando la variabile di deformazione è impostata al 50% per lo schiacciamento, l'andamento della variazione di temperatura dell'elettrodo positivo della batteria è simile a quello della variabile di deformazione del 40%, con la temperatura massima che sale a circa 63 ℃ e una grande quantità di elettrolito che fuoriesce.

La variazione di temperatura sulla superficie dell'elettrodo positivo TCLIB3 è significativamente diversa da quella di ICRIB1 e ICRIB2. Quando la deformazione da schiacciamento è inferiore al 10%, la temperatura superficiale dell'elettrodo positivo TCLIB3 non subisce variazioni significative. Quando la deformazione di schiacciamento è del 20%, la temperatura dell'elettrodo positivo di TCLIB3 aumenta significativamente, raggiungendo una temperatura massima di circa 47 ℃, e una piccola quantità di elettrolito fuoriesce.

Quando la deformazione di schiacciamento è del 30% e del 40%, la temperatura dell'elettrodo positivo aumenta leggermente e poi diminuisce lentamente. Dopo aver rilasciato la testa di schiacciamento, la temperatura aumenta nuovamente. Quando la deformazione di schiacciamento è del 50%, la batteria si rompe dopo essere stata schiacciata e la temperatura dell'elettrodo positivo aumenta rapidamente, raggiungendo un massimo di circa 95℃, per poi diminuire. Quando la testa di schiacciamento viene rilasciata, la temperatura aumenta nuovamente.

Quando la deformazione di compressione delle batterie con elettrodi positivi all'ossido di cobalto e litio è entro il 20%, non si verificano anomalie di temperatura evidenti. Solo quando la deformazione di compressione è superiore al 30%, è facile che si riscaldi e che si crei un certo rischio di incendio. La batteria a elettrodi positivi in materiale ternario è sensibile alle variazioni di deformazione da schiacciamento. Quando la deformazione è del 20%, la temperatura dell'elettrodo positivo aumenta notevolmente.

La temperatura massima dell'elettrodo positivo nell'esperimento di schiacciamento può raggiungere circa 95 ℃, superiore ai 66 ℃ della batteria con elettrodo positivo all'ossido di cobalto e litio. Ciò indica che la batteria a elettrodi positivi in materiale ternario presenta maggiori rischi per la sicurezza antincendio quando è sottoposta a compressione esterna. I risultati della compressione con diverse variabili di deformazione indicano che per valutare la sicurezza antincendio delle batterie agli ioni di litio negli esperimenti di compressione, la variabile di deformazione dovrebbe essere impostata a ≥ 30%.

2.2 Impatto della velocità di schiacciamento

Impostare la variabile di deformazione al 30% e osservare la variazione di temperatura della superficie dell'elettrodo positivo di ciascuna batteria nel tempo a diverse velocità di schiacciamento.

La temperatura della superficie dell'elettrodo positivo di ICRIB1 aumenta rapidamente dopo lo schiacciamento e durante l'esperimento si può osservare la fuoriuscita di una grande quantità di elettrolito. Quando la velocità di schiacciamento è di 100 mm/min, 200 mm/min e 400 mm/min, le temperature più alte sono rispettivamente di circa 68 ℃, 81 ℃ e 71 ℃. La velocità di frantumazione ha un effetto minimo sull'aumento di temperatura di ICRIB1 e l'aumento di temperatura dell'elettrodo positivo è sostanzialmente lo stesso per diverse velocità di frantumazione e lo stesso tasso di deformazione di frantumazione.

Dopo aver aumentato la capacità della batteria da 2,2 Ah di ICRIB1 a 2,6 Ah di ICRIB2, la batteria diventa più sensibile alla velocità di schiacciamento e l'aumento della temperatura superficiale dell'elettrodo positivo aumenta ulteriormente con l'aumento della velocità di schiacciamento. Quando la velocità di frantumazione aumenta da 100 mm/min a 400 mm/min, la temperatura superficiale massima dell'elettrodo positivo passa da circa 65°C a circa 95°C, accompagnata da una grande quantità di elettrolito che fuoriesce.

La variazione di temperatura sulla superficie dell'elettrodo positivo di TCLIB3 è simile a quella di ICRIB2 e più alta è la velocità di frantumazione, maggiore è l'aumento di temperatura. Quando la velocità di schiacciamento è di 50 mm/min, 100 mm/min e 400 mm/min, le temperature più alte sono rispettivamente di circa 65 ℃, 78 ℃ e 106 ℃, superiori alla temperatura più alta di ICRIB2 nelle stesse condizioni sperimentali. Alla velocità di schiacciamento di 200 mm/min, TCLIB3 è esploso, producendo una grande quantità di fumo bianco, e il diaframma interno e l'elettrolito sono fuoriusciti dall'elettrodo positivo. A causa del danneggiamento dell'elettrodo positivo, non è stato possibile raccogliere dati completi sulla variazione di temperatura.

I risultati sperimentali di diverse velocità di schiacciamento indicano che maggiore è la velocità di schiacciamento, maggiore è l'aumento di temperatura delle batterie agli ioni di litio e maggiore è il rischio di incendio. Tra i tre tipi di batterie agli ioni di litio, la batteria con elettrodo positivo in materiale ternario presenta il più alto grado di aumento della temperatura all'aumentare del grado di compressione, indicando il massimo livello di pericolo.

Dal confronto sperimentale di diverse velocità di schiacciamento, si evince che nella valutazione della sicurezza antincendio delle batterie agli ioni di litio, la velocità di schiacciamento dovrebbe essere impostata a ≥ 200 mm/min per osservare meglio le differenze tra le diverse batterie agli ioni di litio. Allo stesso tempo, i cambiamenti di temperatura sulla superficie delle batterie agli ioni di litio possono servire come base importante per giudicare la sicurezza antincendio, in particolare per le batterie agli ioni di litio la cui temperatura superficiale può salire a oltre 100 ℃ durante lo schiacciamento, con un rischio significativo di combustione naturale ed esplosione.

3 Conclusione

Le batterie agli ioni di litio sono soggette a cortocircuiti interni in caso di compressione esterna, con conseguente accensione, combustione e persino esplosione. Per studiare il rischio di incendio delle batterie agli ioni di litio in condizioni di compressione, sono stati selezionati tre tipi di batterie agli ioni di litio per condurre esperimenti di accensione per compressione con diverse variabili di deformazione e velocità di compressione. Sono state tratte le seguenti conclusioni:

Quando la deformazione da schiacciamento delle batterie con elettrodi positivi all'ossido di cobalto e litio è entro il 20%, non si verificano anomalie evidenti nella temperatura della batteria e il pericolo è relativamente basso;

Solo quando la deformazione da schiacciamento raggiunge il 30%, è facile che si generino calore e temperatura, con conseguente rischio di incendio.

Quando la deformazione dell'elettrodo positivo in materiale ternario è del 20%, si verifica un notevole aumento di temperatura e la temperatura massima raggiunta è significativamente superiore a quella dell'elettrodo positivo in ossido di cobalto e litio. Se sottoposta a compressione esterna, il rischio di incendio è maggiore.

Con l'aumento del grado di compressione delle batterie agli ioni di litio, aumenta anche l'aumento della temperatura e il rischio di incendio.

Rispetto alle batterie con elettrodi positivi all'ossido di cobalto e litio, le batterie con elettrodi positivi in materiale ternario presentano un aumento di temperatura maggiore con l'aumentare della velocità di schiacciamento, raggiungono temperature più elevate e sono più soggette a combustione ed esplosione.

Quando si valuta la sicurezza antincendio delle batterie agli ioni di litio attraverso esperimenti di schiacciamento, la variabile di deformazione deve essere impostata a ≥ 30% e la velocità di schiacciamento a 200 mm/min. Allo stesso tempo, la variazione di temperatura sulla superficie delle batterie agli ioni di litio può servire come base importante per giudicare la sicurezza antincendio.