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Analisi del test di sicurezza e stabilità delle batterie agli ioni di litio - Parte 1

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Analisi del test di sicurezza e stabilità delle batterie agli ioni di litio - Parte 1

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Con il continuo progresso della tecnologia energetica, l'uso di veicoli elettrici è diventato una valida soluzione ai problemi ambientali. Rispetto ad altri tipi di batterie, le batterie agli ioni di litio presentano i vantaggi dell'alta densità energetica, della lunga durata del ciclo, della facilità d'uso e di manutenzione, ecc. e sono diventate la prima scelta per le batterie di alimentazione dei veicoli elettrici. Tuttavia, il potenziale rischio di incidenti delle batterie agli ioni di litio metterà a repentaglio la sicurezza della vita e delle proprietà delle persone e scoraggerà la fiducia dei consumatori nell'accettazione dei veicoli elettrici. Le batterie agli ioni di litio sono generalmente sicure in condizioni d'uso normali, ma in caso di difetti individuali nel processo di produzione e di condizioni di uso improprio o di abuso come l'alta temperatura, il cortocircuito, la sovraccarica e la scarica, le vibrazioni, l'estrusione e l'impatto, ecc. nell'uso della batteria si verificherà una reazione termica che produrrà una grande quantità di calore, che se non può essere diffusa in tempo causerà un'evasione termica, che può causare l'incendio e l'esplosione della batteria. Da gennaio a luglio 2018, si sono verificati molti incidenti di sicurezza di veicoli elettrici in patria e all'estero a causa delle batterie agli ioni di litio.

Per valutare la sicurezza delle batterie agli ioni di litio, sono stati proposti diversi standard di test di sicurezza in patria e all'estero, come ISO12405-3 IEC62133UL1642UN383. In questo documento, in combinazione con l'attuale standard nazionale sulle batterie per veicoli elettrici GB/T314852015 e con lo standard sui pacchi batterie GB/T31467.3-2015, vengono analizzate e discusse diverse situazioni soggette a fuga termica della batteria.

1.1 Test di penetrazione delle unghie

Il test di penetrazione del chiodo utilizza un ago in acciaio resistente alle alte temperature di 5 mm ~ 8 mm (l'angolo del cono della punta dell'ago è di 45 ° ~ 60 °, la superficie dell'ago è liscia e priva di strato di ossido e olio) a una velocità di (25±5) mm/s dalla direzione della piastra della batteria attraverso la posizione del centro geometrico dell'ago in acciaio vicino alla superficie di perforazione per rimanere nella batteria per l'osservazione per 1 ora. Durante questo processo, la batteria non deve esplodere e non deve prendere fuoco. Il test di perforazione dell'ago modulare utilizza un ago d'acciaio leggermente più spesso alla stessa velocità, dalla direzione perpendicolare alla piastra della batteria per attraversare a turno almeno 3 batterie singole (gli aghi d'acciaio rimangono nella batteria) per l'osservazione per 1 ora. Durante questo processo, il modulo della batteria non deve esplodere o incendiarsi.

Dopo che l'ago d'acciaio ha perforato il separatore della batteria, le piastre del polo positivo e negativo della batteria formano un anello con l'ago d'acciaio, causando un cortocircuito all'interno della batteria che genera un gran numero di punti caldi. Quando la temperatura raggiunge i 130 °C, il diaframma generale inizia a ridursi e a fondersi, causando un'area più ampia di contatto tra gli elettrodi positivi e negativi della batteria e un ulteriore fenomeno di cortocircuito interno. Quando la batteria è a piena potenza, i poli positivo e negativo sono in uno stato metastabile Quando la temperatura supera i 180 °C, i poli positivo e negativo avranno una forte reazione esotermica con l'elettrolita e produrranno una grande quantità di gas (tra cui una grande quantità di gas organico combustibile e una piccola quantità di ossigeno). Quando la temperatura sale a oltre 240°C, il legante contenente fluoro inizia a reagire violentemente con il litio-carbone rilasciando una grande quantità di calore Il punto di infiammabilità del carbonato lineare nell'elettrolita caldo è basso ed è facile che si produca una fiamma libera Nella maggior parte dei casi, l'ago d'acciaio perfora il foro della batteria ed è facile che spruzzi combustibili ad alta temperatura che si infiammano nell'aria formando un fenomeno di spitfire (come mostrato nella Figura 1). Quando si esegue il test della puntura dell'ago sulla batteria del modulo, la tensione della batteria del modulo è più alta, la puntura dell'ago provoca un cortocircuito interno quando la corrente istantanea è maggiore ed è più probabile che si verifichi una fuga termica della batteria con conseguente esplosione.

La piattaforma di tensione della batteria agli ioni di litio del sistema a materiale ternario è superiore a quella della batteria agli ioni di litio del sistema agli ioni di litio del sistema agli ioni di litio, e il tasso di superamento è molto basso quando viene effettuato il test dell'agopuntura. Il 30 dicembre 2016, i quattro ministeri e le commissioni statali hanno emesso il "Programma di sovvenzione per la promozione dei veicoli a energia nuova e i requisiti tecnici dei prodotti", che stabilisce che il test dell'agopuntura nei metodi di sicurezza e di prova per le batterie di potenza per i veicoli elettrici (standard numero GB/T31485-2015628638) non sarà implementato. Il gruppo di redazione ritiene che il test dell'agopuntura non sia coerente con le effettive modalità di guasto delle norme straniere IEC62660-2 e IEC62660-3 e che non utilizzi il test dell'agopuntura per valutare la sicurezza della batteria Attualmente, come regolare i parametri del test dell'agopuntura è difficile replicare completamente l'uso effettivo delle condizioni di guasto. Tuttavia, tutti i tipi di requisiti di prova sono difficili da replicare completamente l'effettivo test delle condizioni di guasto, che riflette solo indirettamente alcune modalità di guasto tipiche estratte dalla modalità di guasto. Nelle applicazioni pratiche, deve esistere la possibilità che un corpo estraneo penetri nella batteria e ne provochi un cortocircuito. Oltre ai due standard iec, SAEJ2464 e UL2580, sono chiaramente indicati anche i requisiti per l'agopuntura. Sotto questi aspetti, i requisiti degli standard nazionali sono ridotti. Nel mercato odierno dei veicoli elettrici puri, la densità energetica delle batterie è in aumento, così come il grado di pericolo di guasto della batteria in condizioni di prova.

1.2 Test di cortocircuito

Il requisito del cortocircuito singolo è che i poli positivo e negativo della batteria singola siano inferiori a 5mΩ osservando per 1h il cortocircuito esterno per 10min. Durante questo processo, la batteria non deve esplodere né incendiarsi. Il modulo di cortocircuito deve essere il modulo della batteria attraverso il cortocircuito esterno per 10 minuti La resistenza della linea esterna deve essere inferiore a 5mΩ osservazione per 1h. Durante questo processo, il modulo della batteria non deve esplodere o incendiarsi.

Prendendo come esempio il test di cortocircuito del modulo batteria in materiale ternario da 60Ah, la tensione della batteria del modulo completamente carica è di 204V e la resistenza al cortocircuito è di 3m2 Durante il test, si scopre che la corrente di scarica continua della batteria con una corrente massima transitoria di 3293A durante il processo di cortocircuito è di circa 3000A

La grande corrente generata durante il processo di cortocircuito provoca un rapido aumento della temperatura della batteria agli ioni di litio. Sotto l'azione dell'alta temperatura, all'interno della batteria si verificherà una reazione esotermica e di produzione di gas tra i materiali elettrodici positivi e negativi e l'elettrolita qui descritto. L'elettrolita vaporizzato e altri gas combustibili esploderanno attraverso l'involucro della batteria e si diffonderanno nell'aria, come mostrato nella Figura 3, mentre l'alta temperatura incendierà il carbonato lineare con un punto di infiammabilità più basso per formare il fenomeno dell'incendio della batteria mostrato nella Figura 4.

Un'altra possibilità è un incendio all'esterno della batteria causato da un cortocircuito. La temperatura della batteria continua a salire durante il cortocircuito e l'alta temperatura incendia i fili di supporto infiammabili all'esterno della batteria o il rivestimento protettivo non ignifugo della batteria, come illustrato nella Figura 5.