Prueba de aplastamiento de baterías de iones de litio - Parte 2

Prueba de aplastamiento de baterías de iones de litio - Parte 2

2.1 Preparación de la prueba

Las pilas cilíndricas y cuadradas se utilizan habitualmente como células de potencia. El objeto de investigación de este trabajo es una pila cuadrada, que se compone principalmente de un sistema de materiales químicos de electrodo positivo de níquel-cobalto-manganeso y electrodo negativo de grafito. El tamaño de la pila es X Y Z=An x L x Al=27 mm x 148 mm x 94 mm, tensión nominal: 3,7 V, capacidad nominal: 37 Ah. La batería individual está dispuesta en el módulo en forma de superposición a lo largo de la dirección de anchura (dirección X) de la batería individual. En este documento, la definición de la dirección de aplastamiento del módulo coincide con la del monómero, y el monómero y el módulo de la batería se muestran en la figura 3. Se recogieron los datos de desplazamiento, carga, tensión, temperatura y vídeo del proceso de aplastamiento extruyendo la pila y el módulo con el indentador, y se analizaron los resultados de las pruebas.

2.2 Resultados de la prueba de aplastamiento de la célula

Realice la prueba de condiciones de trabajo de aplastamiento XYZ en el núcleo eléctrico en estas tres direcciones, y obtenga la comparación de rigidez de las tres direcciones como se muestra en la Figura 4.

La rigidez del núcleo eléctrico en la dirección X es la mayor y puede soportar una mayor fuerza de aplastamiento con la misma deformación. Las direcciones Y y Z son relativamente débiles. El Shenxin se dispone generalmente en serie en la dirección X en el módulo. Cuando el vehículo sufre un impacto lateral, el núcleo eléctrico se comprime y deforma principalmente en las direcciones X e Y.

Con el fin de encontrar el punto crítico de daño y agrietamiento de la cáscara bajo la condición de aplastamiento del núcleo eléctrico, la prueba de aplastamiento se lleva a cabo en la dirección Y del núcleo eléctrico. Cada grupo de pruebas se extruyó tres veces, y la velocidad de aplastamiento fue de 0,2 mm/s.

En el primer grupo de pruebas, el monómero se carga continuamente hasta que la batería pierde el control del calor, y el estado de carga (SOC) de la batería es del 100%;

El segundo grupo de pruebas tiene por objeto averiguar el punto crítico de agrietamiento del armazón de la batería. Para facilitar la observación, la batería se descarga y se carga 3 mm cada vez en secciones al mismo tiempo, y cada sección se mantiene durante 200 segundos;

El tercer grupo de pruebas se cargó continuamente hasta el valor crítico de agrietamiento de la coraza y luego se dejó en reposo para analizar si existía riesgo de desbocamiento térmico. El primer grupo de núcleos de prueba se carga continuamente hasta que se produce el fallo por aplastamiento, como se muestra en la figura 5.

Del análisis comparativo de las pruebas se desprende que existe incertidumbre en el modo de fallo por aplastamiento del núcleo eléctrico.

En la prueba de aplastamiento, el modo de fallo del núcleo eléctrico es que el armazón se extruye y se daña, sin incendio ni explosión; El armazón se extruye sin dañarse, pero se produce humo o explosión de fuego; El armazón se aplasta y se daña, provocando incendio y explosión.

Las figuras 6 y 7 muestran la deformación por aplastamiento del armazón del núcleo eléctrico tras las pruebas del segundo y tercer grupo. En la figura 6 se observa que el lado negativo del núcleo eléctrico se agrietó y el lado positivo no;

Cuando el primer desplazamiento de aplastamiento es de 12 mm, el lado negativo se agrieta, pero el lado positivo no. A través del análisis del segundo grupo de pruebas, se determina preliminarmente que la cáscara está dañada y agrietada bajo la condición de aplastamiento del núcleo eléctrico

El valor crítico es de 12 mm. En la figura 7 se puede observar que cuando el desplazamiento de aplastamiento medido fue de 12 mm, los tres núcleos de prueba no presentaron fractura de la cáscara ni incendio o explosión. Después de la prueba, los núcleos medidos se comportaron con normalidad tras permanecer en reposo durante 24 horas.

Este grupo de pruebas verificó que el valor crítico de fallo por aplastamiento de este tipo de núcleo eléctrico puede determinarse 12 mm. Mediante el análisis de tres grupos de ensayos, se comprueba que el punto crítico del modo de fallo por daños y agrietamiento del casco del núcleo eléctrico es de 12 mm, que es inferior al valor límite, por lo que el riesgo de agrietamiento del casco es pequeño, y no se producirán incendios ni explosiones;

Si se supera el valor límite, existe cierta incertidumbre sobre si la envoltura del núcleo está dañada o agrietada, por lo que el riesgo de seguridad sigue siendo alto; La incertidumbre del fallo del núcleo eléctrico causado por incendio y explosión es grande, y los modos de fallo son incoherentes. Por lo tanto, se puede determinar que la tolerancia al daño de la célula es de 12 mm, y la condición de trabajo de aplastamiento es relativamente estable en la prueba. Sin embargo, las condiciones de extrusión de la pila en la aplicación real son diferentes. Teniendo en cuenta que se reserva un cierto margen de seguridad, se determina que la tolerancia al daño de este tipo de célula es de 10 mm.

2.3 Resultados del ensayo de aplastamiento del módulo

El módulo se someterá al ensayo de aplastamiento en la dirección X Y respectivamente. La velocidad de carga es de 0,2 mm/s. En el ensayo, el módulo se encuentra en estado de plena potencia, es decir, el SOC del módulo es del 100%. Las direcciones X e Y corresponden al comportamiento de aplastamiento por impacto lateral del vehículo. Repita la prueba de aplastamiento tres veces en dos direcciones de aplastamiento para garantizar la eficacia de la prueba.

La figura 8 muestra el estado de aplastamiento del módulo en diferentes direcciones.

La figura 9 muestra el proceso de aplastamiento del módulo en las direcciones X e Y. Por comparación, el proceso de desbocamiento térmico causado por el aplastamiento en distintas direcciones del módulo es el siguiente: el módulo de la batería se deforma en la fase inicial, y aparecen humo o chispas cuando el daño interno de la batería aumenta con la carga de aplastamiento, provocando además un incendio y una explosión.

La figura 10 muestra las curvas de cambio de temperatura y tensión del módulo en las direcciones X e Y durante el aplastamiento. Tomemos como ejemplo para el análisis los módulos M2 (aplastamiento en X) y M4 (aplastamiento en Y).

En la figura 10 x dirección , durante 0~400s, el módulo se deforma gradualmente debido al aplastamiento, y la temperatura y la tensión del módulo permanecen estables; Cuando la carga alcanza 400s, la tensión comienza a caer a 0 V, y la temperatura aumenta de 26 ℃ a 156 ℃, en este momento, el módulo de la batería comienza a humear; Con el aumento adicional de la fuerza de aplastamiento, la temperatura aumenta a 500 ℃, y luego el módulo de la batería se incendia y explota.

En la dirección y de la figura 10, la tensión y la temperatura del módulo son relativamente estables dentro de 0~300s. Cuando la temperatura aumenta de 300s a 550 ℃, el módulo se incendia y explota, y la tensión cae a 0V. Mediante la comparación y el análisis de las curvas de temperatura y tensión, también se descubre que es más probable que se produzca el desbocamiento térmico en el aplastamiento de los módulos en dirección Y.

De acuerdo con la curva de carga de desplazamiento, la curva de tensión y la curva de temperatura recogidas de la prueba, se analiza la distancia de aplastamiento cuando el módulo de batería falla en las direcciones XY 2. En el aplastamiento en dirección X, el desplazamiento de aplastamiento es de 40 mm, 42 mm y 30 mm respectivamente cuando fallan los módulos nº M1, M2 y M3; Extrusión en dirección Y. Cuando fallan los módulos M4, M5 y M6, el desplazamiento por aplastamiento es de 21 mm, 15 mm y 24 mm respectivamente. A través de la comparación, se puede encontrar que en comparación con la dirección X, la dirección Y del módulo es más propensa a fallar después de ser extruido.