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Prueba de impacto de la batería de ión-litio

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Prueba de impacto de la batería de ión-litio

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Las baterías de iones de litio se han convertido en una de las principales fuentes de energía para productos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles, debido a su elevada energía específica y alto voltaje. Sin embargo, en condiciones abusivas como el calentamiento, la sobrecarga, el cortocircuito por sobredescarga, la vibración, la compresión, etc., las baterías de iones de litio pueden sufrir incidentes como incendios, explosiones e incluso lesiones personales, lo que ha provocado la retirada del mercado de un gran número de baterías de iones de litio.

Por lo tanto, cómo mejorar las prestaciones de seguridad de las baterías de iones de litio se ha convertido en una cuestión clave para su desarrollo. En la actualidad, muchos países o instituciones de ensayo han desarrollado métodos de ensayo de seguridad pertinentes para las baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio deben superar pruebas de seguridad para reducir sus riesgos de uso. Las normas internacionales relacionadas con la seguridad de las baterías de iones de litio incluyen principalmente IEC 62133, IEC 62281, UL 1642, UL 2054, UN 38.3, etc.

En las normas mencionadas, la prueba de impacto de objeto pesado es un proyecto que simula el cortocircuito interno de las baterías de iones de litio. En este artículo se realizaron pruebas de impacto de objetos pesados en diferentes modelos de baterías de iones de litio de acuerdo con los requisitos de la norma. Los resultados de las pruebas se compararon y analizaron desmontando la batería después del experimento.

1 Prueba

1.1 Equipo y entorno de prueba

El instrumento de ensayo es la cámara de ensayo de impacto a prueba de explosiones DGBELL. La temperatura ambiente durante el experimento se mantuvo siempre a (20 ± 5) ℃.

1.2 Muestras de ensayo

Las muestras de baterías de iones de litio utilizadas en este experimento son las siguientes: batería cilíndrica de iones de litio 18650; Batería cuadrada de carcasa de aluminio; Batería cuadrada de polímero de iones de litio

1.3 Métodos de ensayo

Coloque baterías de iones de litio de diferentes formas sobre una superficie plana, coloque una barra de hierro de 15,8 mm de diámetro horizontalmente en el centro de la batería y deje caer un martillo de 9,1 kg desde una altura de (610 ± 15) m sobre la batería. En el caso de las pilas cuadradas, también deben girarse 90° a lo largo del eje longitudinal para que soporten impactos fuertes tanto en la superficie ancha como en la estrecha. La temperatura de la superficie de la pila durante el experimento se controla mediante un termopar fijado a la superficie de la pila.

2 Resultados

2.1 Baterías de iones de litio 18650

Tras ser golpeada por un objeto pesado, queda una abolladura profunda en la superficie de la batería, causada principalmente por la compresión de la barra de hierro colocada en la superficie de la batería tras ser golpeada por un martillo pesado. Apareció óxido en la superficie del polo positivo de la batería, debido principalmente a la apertura de la válvula de alivio de presión interna durante la prueba de impacto, lo que provocó la salida de parte del electrolito. El electrolito produjo sustancias corrosivas al entrar en contacto con el aire, lo que provocó la corrosión de la tapa del polo positivo.

Tras desmontar la carcasa de la batería, aparecieron grietas en la superficie de las celdas de la batería. Esto se atribuye principalmente a la extensión y deformación de los electrodos causada por la barra de hierro que aprieta la batería. La célula de la pila se desplegó, y tanto el electrodo como la película de apertura se rompieron en el lugar donde se apretó la barra de hierro. Los materiales de revestimiento de los electrodos positivo y negativo experimentaron desprendimientos.

2.2 Pila cuadrada

(1) Batería de carcasa de aluminio

Para las baterías cuadradas de iones de litio, existen generalmente dos formas de embalaje: carcasa de aluminio y aluminio-plástico.

La batería también presentaba abolladuras debido a la compresión de la barra de hierro y se había vuelto muy delgada en el centro. Después de desmontar la carcasa de aluminio, se puede ver que las celdas internas de la batería se han dividido en dos mitades. Al desplegar la célula de la batería, se puede ver que el revestimiento del material de la batería se ha desprendido y los electrodos están arrugados. Esto se debe al impacto de la barra de hierro en el interior de la pila, que genera una fuerza de compresión en la dirección del plano. Además, la gran dureza del revestimiento de aluminio dificulta la extensión de la célula de la pila en la dirección horizontal, lo que provoca arrugas en los electrodos.

Después de la prueba de la superficie estrecha de la pila cuadrada, la dirección de la superficie estrecha de la pila se ha estrujado y deformado completamente. Tras desmontar la carcasa de la pila, se comprobó que las celdas internas de la pila presentaban graves fracturas. Al desplegar el electrodo, se descubrió que el material activo se había desprendido y el diafragma se había roto.

(2) Baterías de polímero de iones de litio

Para baterías de polímero de iones de litio embaladas en aluminio-plástico. Los resultados de la prueba de la batería son similares a los de las baterías con carcasa de aluminio. Sin embargo, debido al sellado térmico de la carcasa de aluminio-plástico, las celdas internas de la batería están expuestas a fuerzas externas después de la prueba de la batería. En segundo lugar, debido al fino grosor de la batería con envoltura de aluminio-plástico, ésta se dividió en dos partes bajo el impacto externo.

2.3 Discusión de los resultados de las pruebas

De los resultados de las pruebas anteriores se desprende que la prueba de impacto de objeto pesado puede simular el cortocircuito interno de las baterías de iones de litio. En la prueba de impacto de objeto pesado, la batería fue sometida a fuerzas externas, causando la deformación de la carcasa de la batería. Además, provocó la deformación de la celda de la batería, causando tensión en los electrodos y el separador. Bajo la acción de esta tensión, el material del electrodo experimentará desprendimiento, y el diafragma se romperá debido a su delgadez, dando lugar a conducción electrónica directa entre los materiales de electrodo positivo y negativo, o contacto entre el colector de cobre (aluminio) y el material de electrodo positivo (negativo) (es decir, cortocircuito interno), dando lugar a una corriente de descarga localmente grande y calor óhmico.

Debido a los cortocircuitos internos que se producen en múltiples lugares, el calor generado provoca otras reacciones secundarias, como la descomposición del electrodo y la descomposición del electrolito. Durante el experimento, se produjo un aumento significativo de la temperatura de la batería. En el modelo de batería de iones de litio 18650, un cortocircuito interno generó una cantidad significativa de gas, provocando un aumento de la presión interna. Tras alcanzar un determinado valor, la válvula de alivio de presión de la batería se abrió para liberar el gas ácido, evitando en última instancia que se produjeran accidentes de seguridad. En el caso de las baterías cuadradas de iones de litio, su grosor es relativamente pequeño. En caso de impacto externo, la batería puede romperse o partirse por la mitad. Cuando se produce un cortocircuito interno, los componentes internos de la batería quedan expuestos directamente al aire y reaccionan.

3 Conclusión

Mediante pruebas de impacto de objetos pesados en diferentes tipos de baterías individuales de iones de litio, se observa que este método de prueba puede simular eficazmente la situación de cortocircuitos internos en las baterías. El análisis de desmontaje de diferentes tipos de baterías reveló que se producían roturas de electrodos y roturas de diafragma en el interior de las baterías, lo que provocaba cortocircuitos internos en las baterías. El análisis y la comprensión de este fenómeno experimental serán más útiles para que los fabricantes de baterías comprendan las normas de ensayo de las baterías, mejorando así la calidad del producto de las baterías de iones de litio y aumentando su seguridad.