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Test di sicurezza per la penetrazione delle unghie delle batterie agli ioni di litio - Parte 2

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Test di sicurezza per la penetrazione delle unghie delle batterie agli ioni di litio - Parte 2

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2.2 Diverse velocità di punzonatura dell'ago

Le velocità di caricamento sono impostate su 1 mm/min, 5 mm/min, 10 mm/min e 20 mm/min.

Si può notare che il carico ultimo aumenta con l'aumentare della velocità e il carico ultimo medio massimo è di 1,56 kN (20 mm/min). Quando la velocità di carico del campione aumenta da 1 mm/min a 20 mm/min, il carico ultimo medio aumenta del 14%.

Entrambe le batterie sperimentali del Gruppo 2 hanno subito una fuga termica, con reazioni violente all'interno delle batterie. Una grande quantità di elettrolito è fuoriuscita dal punto di perforazione ed è stato emesso del fumo bianco. Dalla curva del tempo di tensione, si può notare che con l'aumento della velocità, il tempo necessario per la caduta di tensione si riduce significativamente e la tensione terminale scende sostanzialmente a circa 0V.

I tassi di riscaldamento e raffreddamento e le temperature di picco della batteria dopo essere stata penetrata a quattro diverse velocità sono sostanzialmente gli stessi. Ciò è dovuto alla scarsa duttilità della membrana della batteria cilindrica, che si perfora facilmente durante il processo di perforazione dell'ago, dando luogo a terminali positivi e negativi estremamente corti. La velocità ha uno scarso effetto sulla temperatura superficiale della batteria selezionata nell'esperimento, e il picco di temperatura è leggermente più alto quando la velocità di perforazione dell'ago è di 20 mm/min, raggiungendo i 100 ℃. In altre condizioni di velocità, la temperatura di picco della superficie della batteria è sostanzialmente la stessa, circa 95 ℃, il che indica che l'energia rilasciata dalla batteria è meno influenzata dalla velocità di punzonatura dell'ago.

2.3 Diverse profondità di penetrazione dell'ago

Un aumento della profondità di perforazione dell'ago comporta un aumento del numero di punti elettrodici e dell'area di contatto per i cortocircuiti, aumentando la probabilità di cortocircuiti diretti. Dopo i cortocircuiti, si verificherà una serie di reazioni collaterali. Pertanto, lo studio dell'impatto delle diverse profondità sulle prestazioni di sicurezza delle batterie al litio e l'individuazione della profondità critica in cui si verificano i cortocircuiti è di grande importanza per l'allarme preventivo.

Quando la profondità è di 10 mm, non si verifica alcuna variazione di tensione, il che indica che non c'è alcun cortocircuito all'interno della batteria al litio. Quando la profondità è di 11 mm, la tensione scende da 3,9 V a 3,6 V in circa 124 secondi, poi sale lentamente a 3,78 V e rimane intorno a 3,78 V, indicando che i poli positivo e negativo all'interno della batteria sono andati in cortocircuito, causando un cortocircuito locale.

Analizzando le ragioni del recupero della tensione, quando il calore locale nel sito di agopuntura è troppo elevato, il collettore di corrente, il diaframma e l'area locale del punto di puntura possono fondersi, interrompendo così il percorso della corrente e ostacolando l'ulteriore scarica della batteria al litio. La fusione del diaframma e del collettore di corrente determina la possibilità di ripristinare la caduta di tensione.

La temperatura di picco della superficie della batteria aumenta con l'aumentare della profondità di penetrazione. Quando la profondità dell'ago è di 10 mm e 11 mm, la temperatura superficiale della batteria non è elevata, il grado di reazione chimica all'interno della batteria non è grave e non vengono emessi fumo bianco o gas irritanti, il che indica che non si è verificata una fuga termica. Quando la batteria al litio è stata perforata da 10 mm, non si è verificato alcun cortocircuito e la temperatura è rimasta intorno ai 25 ℃.

Quando la profondità dell'ago è di 11 mm, si innesca un cortocircuito locale all'interno della batteria, consumando una piccola quantità di energia e provocando un riscaldamento relativamente lento.

Quando l'ago d'acciaio è penetrato a una profondità di 12 mm, 13 mm e 16 mm, la batteria ha sperimentato una fuga termica, emettendo gas irritanti e fumo bianco dal punto di perforazione, e l'elettrolito è fuoriuscito. Dopo aver perforato il guscio, la temperatura aumenta bruscamente e raggiunge rapidamente il suo picco, con una temperatura superficiale di picco della batteria superiore a 90 ℃.

In sintesi, si può concludere che esiste una profondità critica dal cortocircuito locale al cortocircuito interno dell'intera batteria al litio quando l'ago di acciaio penetra nella batteria. La profondità critica della batteria al litio utilizzata in questo lavoro è di circa 11 mm. Quando la profondità di perforazione è inferiore alla profondità critica, la batteria al litio non subisce un runaway termico e la temperatura superficiale della batteria aumenta lentamente. Quando la profondità di perforazione supera la profondità critica, la batteria subisce una fuga termica e la temperatura superficiale della batteria aumenta bruscamente.

2.4 Diverse posizioni di puntura dell'ago

Per l'esperimento sono state scelte tre diverse posizioni

Le diverse posizioni di carico hanno un impatto significativo sulla capacità di carico della batteria. Più la posizione di carico è vicina ai terminali positivo e negativo della batteria, maggiore è la capacità di carico finale e maggiore è la pendenza verso l'alto, e viceversa. Esiste una chiara regolarità nell'influenza della posizione della puntura dell'ago sul carico ultimo della batteria. Più la posizione della puntura dell'ago è vicina al centro assiale della batteria, minore è il carico ultimo e viceversa, maggiore è il carico ultimo.

Il cortocircuito si verifica prima vicino all'elettrodo positivo e poi nella posizione centrale. La tensione in prossimità dei poli positivo e negativo non è scesa bruscamente a 0 V dopo un brusco calo, ma è risalita a tensioni più elevate di 1,84 V e 1,1 V, per poi iniziare a fluttuare gradualmente fino a 0 V. Ciò è dovuto al fatto che le posizioni A ed E sono molto vicine all'estremità del nucleo della batteria e c'è uno spazio tra l'estremità del nucleo della batteria al litio e il guscio esterno. Durante il carico continuo, si verificherà uno slittamento limitato e una concentrazione di tensioni, con conseguente instabilità temporanea della tensione.

A parità di deformazione, la deformazione locale nella posizione del bordo sarà maggiore e porterà a un più facile cedimento del diaframma e a una più precoce insorgenza di cortocircuiti interni. Analogamente, a parità di deformazione, quando la posizione di perforazione dell'ago è vicina al centro della batteria, la deformazione locale sarà minore e il cortocircuito interno si verificherà più tardi.

Il test ha causato una fuga termica (una grande quantità di elettrolito è fuoriuscita dal punto di puntura dell'ago e ha emesso una grande quantità di fumo bianco), e più il punto di penetrazione è vicino ai poli positivo e negativo, maggiore è il rischio di fuga termica. Quanto più è vicino ai poli positivo e negativo, tanto più velocemente la batteria si riscalda dopo un cortocircuito e tanto più alta è la temperatura di picco. Tra questi, le temperature di picco della superficie della batteria a 10 mm e 55 mm dall'elettrodo negativo sono rispettivamente di 110,3 ℃ e 104,8 ℃, mentre la temperatura di picco a 30 mm dall'elettrodo negativo è di 94,9 ℃. In sintesi, la posizione del bordo della batteria al litio selezionata in questo lavoro è più incline al runaway termico.

3 Conclusioni

Il test ha utilizzato la camera di prova per la penetrazione dei chiodi DGBELL. Sono stati condotti una serie di esperimenti su una singola batteria agli ioni di litio 18650, tra cui SOC, velocità di perforazione dell'ago, profondità e posizione. L'influenza dei diversi parametri sulle prestazioni di sicurezza delle batterie al litio è stata analizzata utilizzando i dati relativi al calore elettrico delle batterie e sono state tratte le seguenti conclusioni.

(1) Il carico ultimo delle batterie al litio non è semplicemente una relazione con l'aumento del SOC. Quando il SOC è compreso tra il 20% e il 60%, il carico ultimo aumenta con l'aumentare del SOC; quando il SOC è compreso tra l'80% e il 100%, aumenta anch'esso con l'aumentare del SOC, e il carico ultimo medio massimo è di 1,66 kN, superiore del 20% rispetto al carico ultimo medio del 20% di SOC.

Maggiore è il SOC, più intensa è la reazione durante il processo di agopuntura e maggiore è il rischio di fuga termica. Per diverse velocità di agugliatura, il tasso di aumento e diminuzione della temperatura sulla superficie della batteria è coerente, con un picco di temperatura di circa 95 ℃, e non vi è alcuna correlazione significativa tra la velocità di agugliatura e il verificarsi di una fuga termica.

(2) Durante il processo di agugliatura, c'è una profondità critica da un cortocircuito locale a un cortocircuito dell'intera batteria al litio. La profondità critica della batteria al litio selezionata per l'esperimento è di circa 11 mm, che può essere utilizzata come soglia per la progettazione di un allarme precoce per avvisare gli utenti.

Le diverse posizioni hanno un impatto significativo sulla forza, sull'elettricità e sul calore delle batterie al litio. Quando la posizione di inserimento dell'ago è vicina agli elettrodi positivo e negativo, il carico ultimo e la temperatura di picco sono più elevati rispetto alla posizione centrale. Le temperature di picco sono rispettivamente di 104,8 ℃ e 110,3 ℃. Quando le batterie al litio sono soggette a collisioni con forze esterne in prossimità degli elettrodi positivi e negativi, le loro prestazioni di sicurezza diminuiscono, rendendole più inclini a incidenti di sicurezza come il thermal runaway.