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Prueba de seguridad de la batería de litio
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Prueba de seguridad de la batería de litio
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La batería de iones de litio tiene las ventajas de una alta energía específica, una alta potencia específica, una plataforma de alto voltaje, una pequeña autodescarga, un ciclo de vida largo, una baja contaminación ambiental y ningún efecto memoria. Se ha utilizado ampliamente en teléfonos móviles, ordenadores, vehículos eléctricos, ejército, tecnología espacial y otros campos relacionados. Sin embargo, las baterías de iones de litio entrañan algunos riesgos potenciales para la seguridad, al tiempo que aportan beneficios a la humanidad. Por ejemplo, las baterías de iones de litio pueden provocar incendios, explosiones y otros peligros en condiciones de abuso (como sobrecarga, sobredescarga, cortocircuito, extrusión, acupuntura, alta temperatura, etc.).
En los últimos años, siguen produciéndose accidentes relacionados con la seguridad de las baterías de iones de litio, lo que supone una gran amenaza para la seguridad personal y patrimonial de las personas. Las prestaciones de seguridad de la batería de litio siguen siendo un problema urgente por resolver. Desde la perspectiva de la propia batería de litio, es el portador de energía en sí, que tiene factores inseguros. Los diferentes procesos de producción de la capacidad, y si el método de uso está estandarizado afectará en gran medida el rendimiento de seguridad de la batería.
En la actualidad, hay muchas investigaciones sobre la influencia de los materiales de los electrodos positivo y negativo, el electrolito, el diafragma y otros factores en el rendimiento de seguridad de las baterías de litio en el país y en el extranjero, pero hay poca investigación sobre la influencia de la estructura de la celda y el material de la carcasa de la batería en el rendimiento de seguridad de las baterías de litio. En este artículo se estudia en profundidad la influencia de la estructura de la celda y el material del armazón de la batería en el rendimiento de seguridad de las baterías de litio.
Los tres tipos de baterías utilizados en este experimento son la batería de carcasa de acero tipo 18650, la batería de carcasa blanda tipo bobinado y la batería de carcasa blanda tipo laminado con una capacidad de 2 Ah. La diferencia radica en que la estructura de las celdas de la batería y la estructura del material de la carcasa del embalaje se dividen en tipo bobinado y tipo laminado. Las celdas de la batería con carcasa de acero y de la batería flexible enrollada son de estructura enrollada, y las celdas de la batería flexible laminada son de estructura laminada. Entre los materiales se incluyen la película compuesta de aluminio y plástico y el acero niquelado.
Prueba de rendimiento de seguridad
En este estudio, se utilizaron tres pruebas de cortocircuito externo, acupuntura y sobrecarga para caracterizar el rendimiento de seguridad de la batería. Estas tres pruebas de seguridad se realizaron de acuerdo con la norma internacional. En condiciones de temperatura ambiente, la prueba de penetración de clavos se realiza con la cámara de prueba de penetración de clavos. El rendimiento de sobrecarga se prueba con la cámara de pruebas.
Prueba de cortocircuito externo
Los resultados de las pruebas muestran que la temperatura de la batería flexible laminada, la batería flexible enrollada y la batería de carcasa de acero 18650 aumenta rápidamente en poco tiempo cuando se produce un cortocircuito externo, y la temperatura máxima es de 64, 82 y 102 ℃ respectivamente. Debido a la protección del diafragma seco, aunque la batería se cortocircuite externamente, los dos polos de la batería siguen mostrando un cierto voltaje antes de tiempo. Cuando la tensión de la batería sube a cero, las temperaturas superficiales de los tres tipos de baterías alcanzan sus temperaturas máximas respectivamente. Cuando la corriente de cortocircuito desciende a cero, la descarga de la batería se detiene y la temperatura superficial de la batería desciende gradualmente hasta la temperatura ambiente. No se produce ningún incendio ni explosión tras el cortocircuito de los tres tipos de baterías.
La válvula de seguridad de la pila de carcasa de acero se abre y se produce una fuga de líquido. En los otros dos tipos de pilas no se produce ningún fenómeno evidente. La razón del fenómeno anterior es que en el momento en que se conecta el cable de cobre, los electrodos positivo y negativo de la batería forman un circuito cerrado a través del cable de cobre, la tensión disminuye rápidamente, la corriente aumenta instantáneamente, y la corriente de cortocircuito puede alcanzar más de 60 A. El calor generado por la gran corriente a través de la resistencia interna de la batería y la acumulación de calor. La temperatura superficial de la batería aumenta rápidamente.
A partir del experimento de cortocircuito, se puede concluir que el aumento de temperatura de los tres tipos de baterías es diferente. El aumento máximo de temperatura de la pila con carcasa de acero es el menor. Además de tomar las condiciones extremas como el fuego y la explosión como criterio de juicio, el cambio de temperatura de la superficie de la piscina lunar es también el dato intuitivo de los resultados experimentales, que puede caracterizar las ventajas y desventajas de la prueba de cortocircuito. Cuanto mayor es la temperatura de la batería, peor es su rendimiento de seguridad. Los resultados anteriores muestran que la seguridad de la batería de los tres procesos de producción es de alta a baja, respectivamente, batería flexible laminada, batería flexible enrollada y batería de carcasa de acero 18650.
Prueba de penetración de clavos
De la prueba se desprende que la temperatura de la pila flexible enrollada y de la pila de carcasa de acero 18650 aumenta hasta 190 ℃ y 239 ℃ respectivamente en poco tiempo, y la pila de carcasa de acero se incendia y se quema; De la pila flexible enrollada salió una gran cantidad de humo, pero no se produjo ningún incendio. A continuación, la temperatura de la superficie de la batería disminuye gradualmente. Sin embargo, la batería flexible laminada no echó humo ni se quemó, y la temperatura máxima fue sólo de 82 ℃.
El mecanismo de la reacción anterior es que después de pinchar la pila, la aguja de acero y las piezas de los polos positivo y negativo de la pila forman un circuito cerrado, y se produce un cortocircuito interno instantáneo. La tensión en ambos extremos de la pila cae rápidamente a cero, y la corriente aumenta bruscamente, generando un enorme calor. La temperatura de la superficie aumenta rápidamente, lo que conduce a una mayor expansión de la zona de cortocircuito de fusión del diafragma, provocando un círculo vicioso.
La diferencia entre los resultados de la pila flexible enrollada y la pila 18650 con carcasa de acero radica en los distintos materiales de la carcasa de embalaje. La primera utiliza película de plástico de aluminio para el embalaje y la segunda utiliza acero niquelado para el embalaje. La razón por la que la presión de rotura de la primera es mucho menor que la de la segunda es que la película compuesta de plástico de aluminio de la batería de iones de litio de embalaje flexible tiene cierta ductilidad y baja resistencia mecánica. En caso de cortocircuito interno, la batería es fácil de abombar y agotar, lo que reduce el riesgo de explosión. La batería de carcasa de acero es una estructura cerrada, que producirá una gran potencia explosiva en caso de explosión.
La diferencia entre los resultados de la batería flexible en espiral y la batería flexible laminada radica en la diferencia de las estructuras de sus celdas. La célula enrollada consta de una lámina positiva, una lámina negativa y dos diafragmas, que se enrollan mediante la máquina de bobinado para formar una resistencia interna de unos 50 m Ω. Las células de la batería flexible laminada se apilan alternativamente con las placas de electrodos positivo y negativo y el diafragma, en el que el diafragma tiene forma de Z. La batería laminada equivale a varias baterías en paralelo, con una resistencia interna de unos 10 mΩ.
Además, como el número de capas perforadas del núcleo eléctrico de tipo bobinado es mayor que el del núcleo eléctrico laminado, el área de contacto del cortocircuito es mayor, y el calor generado es mayor. Por lo tanto, la temperatura superficial de la batería flexible enrollada es 108 ℃ superior a la de la batería flexible laminada. En resumen, la batería flexible laminada es la más segura.
Conclusión
Los resultados de la investigación muestran que la batería con carcasa de acero tipo 18650 presenta graves fenómenos de ignición y combustión en el experimento de acupuntura. Durante la prueba de sobrecarga de 3 C,5 V, la batería flexible de tipo bobinado presenta fenómenos de abombamiento, ignición y combustión, mientras que la batería flexible laminada sólo presenta fenómenos de abombamiento. La batería de carcasa de acero no presenta ningún peligro potencial evidente debido a la protección de su propia válvula de seguridad. Por lo tanto, la estructura de la célula y el material de la carcasa de la batería son factores importantes que afectan al rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio.