Test parziali sulla sicurezza delle batterie al litio - Parte 1

Test parziali sulla sicurezza delle batterie al litio - Parte 1

Da quando è stata prodotta in serie, la batteria al litio ha rapidamente guidato la tendenza nel campo delle batterie grazie alle sue eccellenti prestazioni, come l'elevato rapporto energetico, la lunga durata del ciclo e l'alta tensione dell'elettrodo. Ha un vantaggio assoluto nei settori della telefonia mobile, dei computer e di altri settori ed è diventato uno degli importanti temi di ricerca dei veicoli a nuova energia. Per soddisfare le richieste del mercato di un'elevata energia di accumulo, le imprese hanno incrementato la ricerca e lo sviluppo dell'energia specifica di una singola batteria. Sebbene possa migliorare il tempo di standby dei telefoni cellulari, la densità di energia volumetrica di una singola batteria è sempre più elevata e i problemi di sicurezza diventano sempre più evidenti. Il principale fattore limitante per la promozione commerciale delle batterie ad alta capacità e agli ioni di litio è la sicurezza, che presenta molti potenziali rischi. Per analizzare e risolvere tali problemi, sono stati proposti diversi standard di sicurezza internazionali, come IEC62133, UL1642, IEEE1625, ecc. Allo stesso tempo, per garantire la sicurezza delle batterie al litio nell'aviazione, nel trasporto a lunga distanza e nell'uso di apparecchiature, sono stati introdotti gli standard UN38.3, GB4943 e così via. Tuttavia, negli ultimi anni, con l'utilizzo su larga scala del mercato e l'aumento della capacità propria delle batterie, è aumentata notevolmente la probabilità che si verifichino gravi problemi come incendi ed esplosioni delle batterie al litio in condizioni di abuso (come sovraccarico e sovrascarico del riscaldamento, cortocircuito, vibrazioni, estrusione, ecc. Le conseguenti lesioni da esplosione o il ritiro dei prodotti a causa dei rischi per la sicurezza causano spesso effetti fatali per le imprese Diverse aziende stanno investendo nello sviluppo di nuove tecnologie di prevenzione della sicurezza delle batterie al litio, simulando al contempo i possibili problemi per effettuare metodi di rilevamento più corrispondenti, come il test di cortocircuito interno obbligatorio del Giappone JISC8714 Test di temperatura limite superiore e inferiore IEC significa test di agopuntura. Per soddisfare la domanda del mercato, gli standard di sicurezza esistenti sono stati aggiornati anche in Cina e rivisti in GB/T18287-2013, GB31241-2014; questo articolo esplora brevemente alcuni degli attuali metodi di rilevamento.

Test di penetrazione dell'unghia

Il test di agugliatura è un cortocircuito interno forzato. Alla temperatura ambiente di 20 ℃ ± 5 ℃, la batteria è completamente carica con corrente di carica standard, una termocoppia è incollata vicino al centro della batteria e posta nella cappa di aspirazione, e un ago di acciaio inossidabile di 3 mm di diametro viene utilizzato per perforare rapidamente la batteria alla velocità di 20 mm / s. L'ago deve penetrare completamente fino all'altro lato della batteria, quindi l'ago di acciaio rimane fermo per 1 minuto. Osservare se la batteria subisce incendi ed esplosioni e rilevare contemporaneamente i dati relativi alla variazione di temperatura della batteria. Lo standard di superamento dell'esperimento è che la batteria non si incendi e non esploda. Poiché questo tipo di test non è facile da superare, c'è una controversia sul problema della simulazione dello scenario e il test non è elencato nello standard nazionale GB / T18287. QC / T743-2006 prevede un test con ago: utilizzare un ago in acciaio resistente alle alte temperature di ø 3 mm ~ ø 8 mm per penetrare dalla direzione perpendicolare alla piastra della batteria (l'ago in acciaio rimane nella batteria). La batteria non deve esplodere o prendere fuoco.

Il test di penetrazione del chiodo simula il problema della sicurezza dopo che oggetti estranei, in particolare sostanze metalliche taglienti, trafiggono la superficie della batteria. In questo momento, la pellicola di isolamento della batteria viene perforata e gli elettrodi positivi e negativi della batteria vengono istantaneamente messi in cortocircuito. La corrente di cortocircuito può produrre istantaneamente molto calore. L'agopuntura provoca un cortocircuito della batteria nel punto di agopuntura. L'ago d'acciaio stesso diventa il punto di cortocircuito e genera una grande quantità di calore, formando un'area di surriscaldamento locale lungo la batteria intorno all'ago d'acciaio. Impostiamo la resistenza CC della batteria come R, la resistenza di cortocircuito dell'area di cortocircuito come r, la tensione della batteria come U e la potenza di generazione di calore nell'area del circuito Q: Q = U²r / (R + r)². Quando la temperatura nella zona di surriscaldamento locale supera il punto critico, il riscaldamento è fuori controllo. Attualmente, l'elettrolita più comunemente utilizzato per le batterie industriali agli ioni di litio è il solvente misto di LiPF6 e carbonato di alchile (tra cui ECPC, decemc, ecc.). I punti di infiammabilità di questi solventi comuni sono i seguenti: 160 ℃ (EC) 132 ℃ (PC) 31 ℃ (DEC) 31C (DMC). Allo stesso tempo, anche l'elettrolita darà luogo a una reazione di decomposizione. La reazione di decomposizione avviene tra 170 ℃ e 330 ℃, e il calore rilasciato è di circa 460 J/g, che è legato al sale di litio e al solvente. L'esperimento ha dimostrato che la temperatura della batteria generale aumenta bruscamente dopo il cortocircuito dell'ago e può raggiungere circa 120 ℃ in pochi secondi. Poiché l'alchilcarbonato è molto facile da bruciare, quando il guscio della batteria agli ioni di litio viene perforato, il solvente fuoriesce e viene a contatto con l'ossigeno dell'aria; è possibile che il solvente organico si incendi nell'area surriscaldata vicino all'ago d'acciaio, causando l'accensione o la detonazione interna della batteria.

Le batterie al litio sono costituite da più elettrodi positivi e negativi collegati in parallelo, come mostrato nella Figura 1. La punta dell'unghia perfora lentamente la membrana di isolamento positiva e negativa del primo strato. La punta dell'unghia perfora lentamente la membrana di isolamento positiva e negativa del primo strato; in questo momento, la corrente di scarica del primo strato di elettrodi paralleli è molto elevata e i restanti elettrodi senza cortocircuito vengono scaricati e riscaldati attraverso il primo punto di cortocircuito; Continuare a penetrare nella membrana di isolamento del secondo frammento di elettrodo e gli elettrodi rimanenti che non sono ancora stati messi in cortocircuito sono leggermente ridotti dalla scarica nei due punti di cortocircuito attuali; continuando a penetrare, la corrente di cortocircuito continua a scendere in sequenza fino a penetrare completamente la membrana di isolamento del pezzo di elettrodo parallelo della batteria. A questo punto, il punto di cortocircuito si verifica tra tutti gli elettrodi e il cortocircuito continua a verificarsi con una corrente di cortocircuito minima. Se la velocità di puntura dell'ago è maggiore, ad esempio 40 mm/s, la corrente di cortocircuito può essere considerata come se tutti gli elettrodi fossero riscaldati dalla stessa corrente di cortocircuito; se la velocità è bassa, ad esempio 0,1 mm/s, quando l'ago si conficca nel pre-elettrodo, la corrente di scarica è elevata, il calore istantaneo è maggiore e si genera un'alta temperatura che può stimolare la reazione di decomposizione dell'elettrolita, causando l'incendio della batteria. Se la punta dell'ago ha appena perforato la superficie della batteria durante l'esperimento e si è fermata, la corrente di cortocircuito è estremamente grande in questo momento e la possibilità di incendio è molto grande. Per garantire la ripetibilità e la riproducibilità del test, è necessario specificare con precisione l'apparecchiatura utilizzata, determinare il diametro, la durezza, la finitura superficiale, la lunghezza e la conicità della punta dell'ago, stabilire il numero di volte in cui l'ago viene riutilizzato e le condizioni di smaltimento; garantire di penetrare nella batteria sempre alla stessa velocità. Anche la profondità di penetrazione della batteria richiede una specifica uniforme.