Informazioni sul test di cortocircuito della batteria agli ioni di litio - Parte 1

Informazioni sul test di cortocircuito della batteria agli ioni di litio - Parte 1

Per cortocircuito esterno si intende generalmente un cortocircuito causato dal contatto diretto tra gli elettrodi positivi e negativi di una batteria. Il cortocircuito esterno (ESC) può causare un aumento della temperatura e, se dura abbastanza a lungo, può danneggiare la batteria.

1 Test

per il test è stata utilizzata una batteria 18650 NCM

Nel primo test, la temperatura ambiente della batteria è stata fissata a 25 ℃ e le variabili sono state diverse SOC.

L'intero processo di cortocircuito esterno della batteria è suddiviso in due fasi in base alla variazione della corrente:

(1) La prima fase: fase di aumento rapido. La corrente sale rapidamente fino al suo picco, mentre la tensione scende a un livello basso;

(2) Secondo stadio: Fase di corrente continua. La corrente diminuisce a un ritmo più rapido, quindi compare un plateau di corrente. Se il plateau di corrente viene mantenuto per un certo periodo di tempo, la corrente diminuisce rapidamente fino a zero. La tendenza delle variazioni di tensione è la stessa, con un plateau di tensione che compare quando la tensione scende a circa 1V e, dopo un certo periodo di tempo, la tensione scende rapidamente a zero.

Il tempo necessario per ottenere l'autoprotezione della batteria è definito tempo critico.

Riassumiamo i fenomeni di prova come segue:

Durante la fase di aumento rapido, ad eccezione del 10% SOC, la corrente delle restanti batterie in altri stati SOC aumenterà fino a 60-80A in circa 0,1 secondi, equivalente a una scarica nell'intervallo di 30-40 C. Durante la fase di aumento rapido, la tensione delle batterie in tutti gli stati SOC scenderà da 4,2 V a circa 1,0 V in circa 0,1 secondi.

Durante la fase di corrente sostenuta, maggiore è il SOC della piattaforma di batterie, maggiore è la corrente, ma minore è la durata.

Durante la fase di corrente elevata sostenuta, maggiore è il SOC, minore è la durata del plateau di tensione della batteria. Dopo che la tensione scende a zero e viene lasciata a riposo per 80-100 secondi, si verifica un rimbalzo della tensione.

Nel terzo test, la temperatura dell'ambiente della batteria è stata fissata, il SOC è stato impostato al 20%, 50% e 80% e le variabili erano diversi tempi di cortocircuito esterno. I dati del test sono riportati nella figura seguente e il tempo necessario per ottenere l'autoprotezione della batteria è stato fissato come tempo critico. Riassumiamo i fenomeni di prova come segue:

Le batterie con basso SOC hanno un tempo critico maggiore durante i cortocircuiti esterni.

Dopo un cortocircuito esterno, la capacità della batteria è diminuita.

Le conclusioni che possiamo trarre dai tre test sono:

Supponendo che non si verifichino perdite in seguito a un cortocircuito esterno alla batteria agli ioni di litio

(1) A parità di temperatura, maggiore è il SOC di una batteria, maggiore è il valore di picco della corrente di cortocircuito durante la fase di salita al momento del cortocircuito esterno (livello 0,1s); maggiore è il plateau di corrente durante la fase di corrente sostenuta, minore è il tempo critico.

(2) Alla stessa temperatura, al momento del cortocircuito esterno (livello 0,1s), la tensione di cortocircuito scende a un certo valore e la differenza di tensione tra batterie con SOC diverso dopo la caduta non è significativa.

(3) Alla stessa temperatura, le batterie con SOC più elevato rilasciano meno capacità durante i cortocircuiti esterni.

(4) A parità di SOC, più alta è la temperatura, più breve è il tempo critico per il cortocircuito esterno della batteria; quando il SOC è elevato, il tempo critico della batteria cambia meno a diverse temperature.

(5) A parità di SOC, più alta è la temperatura, maggiore è il valore del plateau di corrente sostenuta.

(6) A parità di SOC, maggiore è la temperatura, minore è la capacità di scarica durante il tempo critico dopo il cortocircuito esterno della batteria. Dopo un cortocircuito esterno, la capacità della batteria diminuisce leggermente.

Durante il processo di cortocircuito esterno, se la batteria perde (a causa del cedimento dei materiali interni e dell'insorgere di reazioni termiche)

(1) Le batterie con temperatura ambiente e SOC più elevati sono più soggette a perdite durante i cortocircuiti esterni.

(2) Dopo la perdita, il valore del plateau di corrente della batteria diminuisce, la temperatura di picco dell'aumento di temperatura aumenta e la capacità rilasciata diminuisce.

2 Analisi

Analizzando i fenomeni di prova e le conclusioni, si costruisce un modello di cortocircuito esterno per le batterie agli ioni di litio (i contenuti seguenti sono speculazioni dell'autore, non provate da test, osservare con cautela)

Il cortocircuito esterno delle batterie agli ioni di litio è mostrato nella figura seguente: utilizzare un filo con una resistenza di m Ω per collegare i terminali positivo e negativo della batteria.

La premessa è che non ci sono perdite durante il cortocircuito esterno delle batterie agli ioni di litio. Come mostrato nella figura seguente, le reazioni interne delle batterie ad alto SOC durante il processo di cortocircuito esterno sono suddivise in tre fasi.

La prima fase consiste nel fatto che, nel momento in cui il filo esterno entra in contatto con gli elettrodi positivo e negativo, gli ioni Li sulla superficie dell'elettrodo completano rapidamente il processo di estrazione e inserimento.

A causa dell'accumulo di una grande quantità di cariche negative sull'elettrodo positivo dopo il collegamento del filo esterno, il potenziale dell'elettrodo positivo diminuisce; allo stesso modo, il potenziale dell'elettrodo negativo aumenta a causa dell'accumulo di una grande quantità di cariche positive, che è un fenomeno di polarizzazione (i lettori che non hanno ben chiaro il concetto di polarizzazione possono fare riferimento al precedente articolo dell'autore - Batteria agli ioni di litio - Batteria agli ioni di litio - La tensione di prova alla fine della scarica è V1, e dopo essere rimasta ferma per un periodo di tempo, la tensione viene misurata nuovamente come V2. Perché V2 è maggiore di V1?)

A causa della polarizzazione, si manifesta macroscopicamente come un rapido aumento della tensione Le fasi di controllo della velocità di questa fase sono la velocità di reazione elettrochimica e la velocità di diffusione. Il cortocircuito esterno delle batterie agli ioni di litio è illustrato nella figura seguente: utilizzare fili con una resistenza di m Ω per collegare i poli positivo e negativo della batteria.