¿Por qué hay que hacer la prueba de penetración en las uñas?

¿Por qué hay que hacer la prueba de penetración en las uñas?

La prueba de penetración de clavos, un método de prueba de cortocircuito interno, es una prueba de seguridad que comprueba la tolerancia al cortocircuito interno de las baterías de iones de litio.

La prueba de penetración de agujas es una prueba que utiliza un clavo de acero a través de la batería para simular un cortocircuito interno y confirmar si la batería echa humo, se incendia o se rompe. Además, la prueba de penetración de agujas no es sólo una prueba para confirmar la seguridad de la batería, sino también una prueba para comprender la naturaleza básica de la batería.

En el estado normal, las láminas de los electrodos positivo y negativo de una batería de iones de litio están aisladas por una película aislante de polímero -el diafragma- en el electrolito orgánico. En este estado, se introduce un clavo de acero en la batería de iones de litio para crear un cortocircuito entre las láminas de los electrodos positivo y negativo, forzando una prueba de cortocircuito interno. El método de ensayo se caracteriza por la posibilidad de ajustar las condiciones de ensayo, como el diámetro, el material, la profundidad de inserción, la posición de inserción y la velocidad de inserción del clavo de acero introducido en el interior de la batería.

Los peligros de la penetración del clavo

La necesidad de que las baterías de iones de litio se prueben con un clavo significa que son extremadamente susceptibles de sufrir un cortocircuito interno y estarán en una condición muy peligrosa si se produce un cortocircuito. Las baterías de iones de litio tienen las características de alta densidad energética, baja resistencia interna y alta corriente de paso permitida, lo que las hace muy peligrosas. En general, un cortocircuito interno se produce durante el uso de la batería porque el proceso de fabricación se mezcla con materias extrañas conductoras, o por impacto o tensión externa.

En realidad, una vez fabricado el producto, es difícil tomar medidas para los cortocircuitos internos en el sistema de control, incluyendo la carga y descarga de la batería, y los circuitos. Cuando se produce un cortocircuito interno, la batería pasa una enorme corriente de cortocircuito interna, que posteriormente genera calor Joule, y este calor, a su vez, hace que el electrolito orgánico combustible reaccione y produzca gases de alta temperatura, lo que resulta en una mayor probabilidad de desbordamiento térmico.

Cuando se produce el desbordamiento térmico, se produce humo y fuego. En casos graves, se produce la ruptura, poniendo en peligro la seguridad personal del usuario. Desde el punto de vista del usuario, es importante garantizar la seguridad de la batería para la aplicación de las baterías de iones de litio La prueba Pinprick utiliza clavos de acero insertados en el interior de la batería para crear un cortocircuito interno entre los electrodos positivo y negativo de una manera relativamente sencilla. Sin embargo, cuando el clavo se inserta en la batería para formar una perforación en la superficie de la misma, este orificio liberará gas a alta temperatura, lo que provocará un cambio en el estado de disipación de calor interno de la batería, y puede haber diferencias con la situación real de cortocircuito interno.

Prueba de cortocircuito sin formación de perforaciones y sin expulsión de gas

Se denomina prueba de clavo romo (BNT). Este método crea un cortocircuito entre los materiales de los electrodos (láminas de electrodos positivos y negativos) de la batería mediante la presión del clavo, y la batería sólo se deforma ligeramente después de la prueba. En comparación con la prueba habitual de pinchazo, este método puede crear un estado más cercano al cortocircuito interno real.

Preparación del montaje experimental

Para realizar esta prueba, clavar manualmente un clavo en una batería de iones de litio no es una opción y no debe intentarse a la ligera: el clavo podría salir volando y causar lesiones en las manos y el cuerpo. Por lo tanto, es necesario construir una máquina de prueba de clavado. Utilizando una prensa manual de sobremesa disponible en el mercado (se requiere una bomba hidráulica por separado, presión máxima de 4000kg, carrera de 120mm, extensión de carrera de 250mm de largo), se hizo un probador de penetración de clavos que puede adaptarse a 3 diámetros de clavos de acero (φ3mm, φ5mm, φ8mm, 100mm de largo). O puede comprar el probador de penetración de clavos de DGBELL directamente, y el probador de penetración de clavos de DGBELL puede ser fabricado de acuerdo a sus requerimientos.

Medidas de seguridad

Teniendo en cuenta la seguridad, hay que asegurarse de que el comprobador puede manejarse desde cierta distancia, instalar la bomba hidráulica en otro lugar y añadir una plantilla de inserción de clavos en la cabeza de la barra de extensión de la carrera para fijar clavos de diferentes tamaños. Inserte el clavo en la plantilla, ajuste la posición y luego utilice el perno para fijarlo. La velocidad de inserción de clavos, después de varias pruebas hidráulicas manuales, obtuvimos el resultado de unos 0,7mm/s midiendo el tiempo de carrera y movimiento.

Resumen de la prueba

Los terminales positivo y negativo de la batería se conectaron a un osciloscopio mediante una sonda de observación para observar la forma de onda de la tensión. La forma de onda se observó utilizando un registrador de memoria de uso general (modelo Nikkei Electric 8855), y la sonda de observación se conectó a la unidad de tensión y corriente (8951) instalada en el registrador de memoria.

Notas relacionadas

Aquí probamos tres tipos diferentes de baterías apiladas (300mA-h, 1000mA-h, 2000mA-h). Los datos que se miden son los siguientes.

- Variación de la tensión en los terminales de la batería a lo largo del tiempo

- Temperatura de la superficie de la celda presentada por imágenes térmicas

- Cambios en el aspecto y la forma de la batería después de la punción (confirmados a simple vista) Antes de realizar el experimento, prepare cuidadosamente las medidas de prevención de incendios y las medidas de seguridad: evite las salpicaduras, sombree la zona alrededor de la máquina de ensayo, coloque un extintor cerca, etc.

Medición de la forma de onda de la tensión

Para las baterías con diferentes capacidades, utilice clavos de acero de diferentes diámetros para la prueba de punción. Se midió el cambio de la tensión de los terminales en el tiempo tras la prueba de penetración de clavos de una batería laminada de 2000mA-h utilizando un clavo de acero de φ5mm.

Diferencias causadas por las condiciones de punción

Incluyendo los resultados de las pruebas anteriores, se conocen los siguientes hechos basados en los resultados de varios experimentos.

(1) En el punto de punción, el voltaje de los terminales cae bruscamente y disminuye gradualmente hasta 0V, y la curva de voltaje fluctúa bruscamente cuando el voltaje cae hasta un cierto nivel.

(2) Los resultados de las pruebas de los diferentes tipos de baterías y condiciones de punción varían durante la fase que va desde el punto de punción hasta el gran cambio de la tensión en los bornes, pero la tensión en los bornes cae a 0V después de 10 a 20s.

(3) Para la misma capacidad de la batería, cuanto más grueso sea el pinning, mayor será el cambio en la tensión de los terminales al realizar la prueba. Medición de la temperatura de la superficie de la batería Después del pinning, el cambio de la temperatura de la superficie de la batería laminada con el tiempo puede medirse mediante termografía infrarroja. El cambio en la temperatura de la superficie se mide cuando la batería laminada de 2000mA-h se clava con un clavo de acero de φ5mm.

Aumento de la temperatura tras la punción La temperatura superó los 200°C durante la prueba de punción de una pila laminada de 2000mA-h utilizando un clavo de acero de φ5mm. En la prueba de la muestra de la pila de 1000mA-h, se produjo un incendio cuando se utilizó un clavo de φ3mm. En la prueba de pinchazo con un clavo de φ5mm, se observó el incendio y la temperatura de la batería aumentó significativamente. Además, la temperatura máxima medida estaba por debajo de los 100°C para diferentes celdas.

Aunque el comprobador no es de nivel comercial y sólo puede utilizarse con fines experimentales, es posible realizar pruebas de pinchazo en las baterías utilizando este comprobador. También es posible utilizar un registrador de memoria de uso general, un osciloscopio digital y una cámara de imagen térmica infrarroja para medir la tensión y la temperatura de los terminales de la batería después de la punción. Esta prueba, al cortocircuitar los terminales positivo y negativo, convierte instantáneamente la energía eléctrica almacenada en el interior de la batería.