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Prueba de impacto de baterías de litio

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Prueba de impacto de baterías de litio

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Debido a las ventajas de peso ligero, alto voltaje, alta equivalencia electroquímica y alta conductividad del litio metálico, las baterías primarias de litio compuestas de litio metálico como electrodo negativo tienen las ventajas de alta energía específica, alto voltaje de batería, amplio rango de temperatura de funcionamiento, buen rendimiento a baja temperatura y larga vida de almacenamiento. Se han comercializado baterías primarias de litio para sistemas químicos.

Sin embargo, debido a la alta actividad del litio, la seguridad de las baterías primarias de litio se ha convertido en un problema digno de mención. Algunas baterías de electrolito orgánico y baterías de litio de electrolito inorgánico no acuoso pueden explotar en caso de cortocircuito u otras condiciones abusivas. Por lo tanto, analizar las razones de la explosión de las baterías primarias de litio tiene una importancia práctica orientativa para mejorar el proceso de producción de las baterías y aumentar su seguridad.

La prueba de impacto de objeto pesado para baterías primarias de litio se especifica en muchas normas de pruebas de baterías (como IEC 62281, UL 1642, UN 38.3). Este experimento simula el abuso de un objeto de cierto peso que cae sobre la batería, generando una fuerte fuerza de impacto en cierta parte de la batería. Cuando la batería se ve sometida a un impacto repentino, puede experimentar cortocircuitos internos u otras reacciones exotérmicas, e incluso incendiarse o explotar.

La norma internacional para baterías de litio, IEC 62281, establece que el propósito de las pruebas de impacto fuerte para baterías primarias de litio es simular cortocircuitos internos en las baterías. En este artículo, se utilizan seis tipos diferentes de pilas de botón como muestras para las pruebas de impacto fuerte con el fin de analizar las causas de los fenómenos de ignición y explosión en las pilas durante las pruebas de impacto fuerte.

1 Experimento

1.1 Instrumentos y materiales

Cámara de impacto a prueba de explosiones DGBELL. Los sujetos experimentales fueron 5 pilas de botón normales, 5 muestras de pilas que contenían sólo material de electrodo positivo dióxido de manganeso electrolítico y electrolito, 5 pilas que contenían sólo material de electrodo negativo litio y electrolito, 5 pilas que contenían sólo electrolito, 5 pilas que contenían sólo material de electrodo positivo y 5 pilas que contenían sólo material de electrodo negativo, en total 6 tipos de muestras.

1.2 Métodos experimentales

Realice una prueba de impacto de objeto pesado según las condiciones especificadas en la norma "IEC 62281 Requisitos de seguridad para baterías primarias de litio y baterías en el transporte". Las condiciones específicas son las siguientes: la pila o batería de muestra se coloca sobre una superficie plana. Se coloca horizontalmente una varilla de 15,8 mm de diámetro en el centro de la muestra. Un martillo pesado de 91 kg cae desde una altura de 61 ± 2,5 cm sobre la muestra.

El eje longitudinal de la pila cilíndrica o prismática impactada debe ser paralelo a la superficie plana y perpendicular al eje longitudinal de la superficie curva de 15,8 mm de diámetro colocada horizontalmente en el centro de la probeta. La pila prismática también debe girar 90° alrededor de su eje longitudinal para poder soportar el impacto tanto en su lado ancho como en su lado estrecho. Cada probeta se somete a un solo impacto. Cuando se somete a impacto una pila en forma de moneda o de botón, el plano de la muestra debe ser paralelo a la superficie plana, y en su centro debe colocarse horizontalmente una superficie curva de 15,8 mm de diámetro. Temperatura de ensayo: (20 ± 5) ℃.

2 Resultado

2.1 Resultados de las pruebas

Seis muestras de batería mostraron resultados diferentes en las pruebas de impacto de objetos pesados. Durante la prueba de impacto de objetos pesados, se descubrió a través de las cámaras de vigilancia que algunas muestras de pilas generaban "chispas" brillantes en un instante, lo que hacía que la pila se partiera por la mitad.

Las características de la generación de chispas son:

(1) Las chispas son relativamente brillantes;

(2) A veces van acompañadas de un ligero sonido de estallido;

(3) Básicamente, se produce simultáneamente con el impacto de un objeto pesado;

(4) Sólo las pilas normales muestran chispas durante la prueba;

(5) La duración es relativamente corta, y suele detenerse inmediatamente después de golpear la batería.

Las baterías primarias de litio que sólo contienen materiales de electrodos negativos y electrolitos, así como las baterías primarias de litio que sólo contienen materiales de electrodos negativos, generan "chispas" durante el proceso de impacto en algunas baterías. Sin embargo, las muestras normales de baterías primarias de litio generan "chispas" durante el proceso de impacto, y el aumento de temperatura es relativamente grande.

2.2 Razón

Basándose en el principio de funcionamiento de las baterías de litio y dióxido de manganeso y en los resultados experimentales, se especula que la razón de la "chispa" generada durante el proceso de impacto:

(1) la combustión del litio a altas temperaturas se manifiesta como la "chispa" generada en algunos o todos los tipos de muestras de baterías que contienen litio metálico durante la prueba de impacto. El litio tiene una alta reactividad química y puede inflamarse espontáneamente en el aire cuando se calienta hasta un estado fundido. Su polvo también puede arder a temperatura ambiente.

El pesado martillo cayó desde una altura y golpeó la superficie de la muestra de batería, generando instantáneamente una gran cantidad de calor, lo que provocó que la lámina de litio expuesta al aire debido al resquebrajamiento de la batería reaccionara con el oxígeno del aire y generara chispas. Durante el proceso de producción de las baterías, las láminas de litio expuestas al aire no reaccionan con una pequeña cantidad de humedad del aire. Por lo tanto, en este experimento, el Li reacciona con el agua para liberar hidrógeno y calor, y la posibilidad de combustión es muy baja.

(2) El cortocircuito interno entre los electrodos positivo y negativo se manifiesta como una batería primaria de litio normal que genera "chispas" durante el proceso de impacto. Tras el impacto, el cortocircuito interno de la batería se produjo debido a la compresión y rotura del diafragma. Cuando se produce un cortocircuito interno, una gran cantidad de corriente fluye a través de la batería, haciendo que genere una cantidad significativa de calor Joule. La generación de calor hace que aparezca un calentamiento local en el interior de la batería, lo que conduce a un desbocamiento térmico en el interior de la batería y, en última instancia, provoca un incendio y una explosión. Se puede observar que las dos razones anteriores pueden causar "chispas" en el proceso de impacto de las baterías primarias de litio terminadas, lo que explica por qué la probabilidad de "chispas" en la prueba de impacto de las baterías primarias de litio terminadas es mayor.

3 Conclusión

La razón del fenómeno de ignición y explosión de las baterías primarias de litio durante las pruebas de impacto de objetos pesados puede deberse no sólo a cortocircuitos internos de la batería, sino también a la combustión a alta temperatura del litio interno.