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

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

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La compressione delle batterie elettriche da parte di oggetti appuntiti è la principale forma di danno causata dalle collisioni tra auto, oltre a essere una condizione di lavoro molto grave. Nei casi più gravi, le batterie agli ioni di litio possono esplodere, causando danni ai veicoli elettrici e persino lesioni personali.

Per verificare le prestazioni di sicurezza delle batterie agli ioni di litio in condizioni di penetrazione di chiodi, questo test ha utilizzato la camera di prova per la penetrazione di chiodi DGBELL e un ago di acciaio al tungsteno a testa piatta del diametro di 5 mm per perforare la batteria agli ioni di litio cilindrica 18650.

È stata discussa l'influenza di quattro parametri (stato di carica, velocità di penetrazione del chiodo, profondità e posizione) sulle prestazioni di sicurezza delle batterie agli ioni di litio ed è stato osservato il fenomeno della fuga termica delle batterie agli ioni di litio. Sono stati registrati i dati di caratterizzazione di temperatura, tensione a circuito aperto e carico delle batterie agli ioni di litio prima e dopo il test. I risultati dei test dimostrano che le batterie agli ioni di litio presentano modelli di evoluzione significativi in condizioni di puntura con ago.

Le batterie agli ioni di litio non sperimentano immediatamente il runaway termico dopo la perforazione dell'ago, ma hanno piuttosto un certo tempo di reazione; più alto è lo stato di carica, più profonda è la penetrazione dell'ago e più è probabile che le batterie agli ioni di litio sperimentino il runaway termico, che è correlato positivamente con la gravità del runaway termico;

Più l'ago è vicino ai terminali positivo e negativo di una batteria agli ioni di litio, più intensa diventa la reazione; non c'è una correlazione significativa tra la velocità dell'agopuntura e il verificarsi o meno del thermal runaway. Infine, sulla base dei risultati dei test, sono stati forniti suggerimenti per il trasporto, l'uso sicuro e la progettazione di algoritmi di allarme rapido dei pacchi di batterie agli ioni di litio.

1 Introduzione al test

Il test utilizza batterie cilindriche agli ioni di litio 18650 con una capacità nominale di 1200 m Ah. Utilizzare un sistema di test delle batterie per caricare e scaricare le batterie al litio al SOC richiesto nel test utilizzando un metodo a corrente e tensione costante.

Nel test, l'intervallo è di 0-200 mm e il valore della forza è di 2-20 kN per simulare il processo di caricamento con aghi. Utilizzare un ago a testa piatta in acciaio al tungsteno con un diametro di 5 mm. Considerando il rischio di esplosione delle batterie al litio durante il caricamento con ago, la camera di prova è dotata di funzione antideflagrante.

Il test ha considerato l'influenza di quattro fattori: SOC, velocità, posizione e profondità, includendo quattro serie di test. Nel test, gli aghi d'acciaio sono stati inseriti in tre punti, ovvero nella parte superiore, centrale e inferiore della batteria al litio. Dopo aver forato la batteria con l'ago d'acciaio, si è osservata per 1 ora e poi si è rimossa la batteria per salvare i dati di prova attuali. Dopo ogni test, lasciare riposare per 30 minuti per controllare la temperatura all'interno dell'ago d'acciaio e della camera di prova.

Attendere che torni a temperatura ambiente prima di procedere al test successivo. Inoltre, tutte le condizioni del test sono state controllate con il metodo delle variabili di controllo per escludere l'influenza di fattori non correlati. Ogni test deve essere ripetuto almeno 3 volte e i dati del test con una buona ripetibilità devono essere presi in considerazione per la ricerca per eliminare la casualità del test e garantire l'accuratezza dei dati del test.

2 Risultati del test di penetrazione del chiodo e analisi

2.1 Analisi delle caratteristiche

Sono stati selezionati cinque diversi stati di carica (SOC del 20%, 40%, 60%, 80% e 100%) delle batterie al litio per i test di perforazione con ago. Sono stati registrati i nodi temporali di caduta del carico ultimo e della tensione terminale delle batterie al litio in diverse condizioni di SOC.

L'andamento della parte anteriore della curva nei cinque stati di carica è più o meno lo stesso: dapprima si verifica una fase di crescita lineare, poi si entra in un'area di piattaforma a crescita lenta con poche variazioni della capacità di carico, quindi si entra in una fase di crescita ad alta velocità, con una crescita esponenziale. Nella fase iniziale del carico di prova, il guscio d'acciaio della batteria inizia a sopportare il carico e, dopo un certo grado di carico continuo, inizia a comprimere gli spazi tra gli strati interni del nucleo e la parte cava più interna. Pertanto, la variazione iniziale del carico è molto piccola e, una volta compattati gli spazi interni della batteria, il carico aumenta rapidamente. Il carico generato nel momento in cui la resistenza dell'involucro della batteria cede e viene perforata è chiamato carico ultimo.

Attraverso i test, si può notare che non esiste una semplice relazione di crescita tra carico ultimo e SOC, e il carico massimo ultimo corrisponde a un SOC del 60%. La possibile ragione è che la quantità di litio incorporata nel materiale dell'elettrodo negativo aumenta con l'aumentare del SOC, quindi le batterie con un SOC del 60% hanno una capacità di carico maggiore rispetto a quelle con un SOC del 60% o inferiore. Quando il SOC è superiore al 60%, il contenuto di sostanze chimiche attive all'interno della batteria al litio aumenta gradualmente.

Durante il processo di perforazione dell'ago, la reazione di fuga termica è grave e una grande quantità di gas trabocca dalla valvola di sicurezza positiva e dalla posizione di perforazione dell'ago, causando un rigonfiamento e uno scorrimento limitato della batteria al litio, con conseguente diminuzione della sua forza di reazione. Pertanto, la variazione della quantità di litio inserita e il verificarsi di uno scorrimento limitato in questo momento porteranno a una diminuzione del carico ultimo.

Per eliminare la casualità del test, il Gruppo 1 ha condotto più test ripetuti a ogni stato di carica e si può notare che il carico ultimo medio della batteria non è semplicemente una relazione di crescita con il SOC. Quando il SOC è compreso tra il 20% e il 60%, il carico ultimo medio delle batterie al litio aumenta con l'aumentare del SOC, e il carico ultimo medio delle batterie al litio con un SOC del 60% è superiore all'80%. Quando il SOC è compreso tra l'80% e il 100%, anch'esso aumenta con l'aumentare del SOC.

Registrare le curve del tempo di tensione di batterie con SOC diverso. I risultati indicano che il SOC della batteria ha un certo impatto sulla sua risposta in termini di tensione e che il momento in cui la tensione del terminale della batteria si abbassa è molto coerente con il momento in cui la batteria raggiunge il carico massimo, indicando che il cortocircuito interno della batteria si verifica al momento della perforazione.

La tensione con SOC del 20% e del 40% non è scesa bruscamente a 0 V nel momento in cui si è verificata la caduta del carico massimo, ma ha avuto prima un periodo di fluttuazione e poi è scesa a circa 0 V. Il motivo potrebbe essere che la reattività chimica all'interno della batteria diminuisce in condizioni di basso SOC e non si verifica una reazione immediata durante un cortocircuito.

Confrontando le curve temperatura-tempo in diverse condizioni di SOC, si può notare che quanto più elevato è lo stato di carica della batteria, tanto più precoce è l'aumento della temperatura e anche il picco di temperatura corrispondente è più elevato. D'altra parte, le batterie al litio ad alto SOC hanno un elevato contenuto di sostanze chimiche interne e la reazione è intensa quando un ago di acciaio viene inserito nella batteria per il cortocircuito. Tutte le batterie al litio hanno subito una fuga termica, con l'elettrolito che fuoriesce dal punto di perforazione ed emette una grande quantità di fumo bianco dopo la deformazione.

Nella fase successiva di caricamento, la temperatura della batteria aumenta rapidamente in un breve periodo di tempo, accompagnata dalla rapida fuoriuscita di gas irritanti. Ciò è dovuto al fatto che, dopo che l'ago d'acciaio ha perforato il guscio della batteria al litio, le sostanze attive interne e l'elettrolito subiscono reazioni di ossidoriduzione con l'aria.

La deformazione dopo la perforazione dell'ago al 100% di SOC ha provocato un'esplosione dopo circa 136 secondi di caricamento. La valvola di sicurezza positiva è stata espulsa, emettendo una grande quantità di fumo bianco, e la temperatura massima ha raggiunto i 162,9 ℃ al momento dell'esplosione. A causa della fuoriuscita di una grande quantità di gas dal punto di perforazione al momento dell'esplosione, si può notare che il punto di perforazione della batteria è gravemente danneggiato e gonfio.