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Prueba de penetración de clavos de baterías de iones de litio

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Prueba de penetración de clavos de baterías de iones de litio

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Las baterías de iones de litio se han utilizado ampliamente en dispositivos portátiles, equipos científicos, vehículos de transporte espacial y sistemas de satélites debido a su alto voltaje y energía específica, su amplio rango de temperaturas de funcionamiento, su larga vida útil, la ausencia de contaminación ambiental y la ausencia de efecto memoria. Sin embargo, si las baterías de iones de litio sufren cortocircuitos internos, cortocircuitos externos, sobrecargas o se utilizan en entornos de alta temperatura, el calor Joule y el calor de reacción en el interior de la batería aumentarán bruscamente, provocando eventos peligrosos catastróficos como explosiones, incendios y desbocamiento térmico.

Para comprobar el rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio, las organizaciones pertinentes, como Writers Laboratories Japan Battery Association (JBA) y Chinese National Standards (GB), han desarrollado sucesivamente normas de ensayo de seguridad de baterías de iones de litio. Las pruebas de seguridad más utilizadas en la actualidad incluyen cuatro aspectos: rendimiento térmico, rendimiento mecánico, rendimiento eléctrico y pruebas de adaptabilidad a condiciones ambientales extremas.

La prueba de penetración de clavos se utiliza para evaluar el cortocircuito interno de las baterías de iones de litio causado por la deposición de litio, defectos de fabricación u otras razones, o la situación de objetos similares a agujas que perforan las baterías de iones de litio.

En la actualidad, existen problemas de mecanismos poco claros y escasa repetibilidad en los accidentes de seguridad causados por la penetración de clavos. La mejora del diseño de la batería es una dirección importante para aumentar la seguridad de las baterías de iones de litio mediante el estudio y el análisis del mecanismo y los factores que influyen en el desbocamiento térmico durante el proceso de penetración de clavos en la batería. Este artículo analizará y resumirá la situación de cortocircuito interno en condiciones de penetración de clavos, presentará los métodos de investigación existentes de experimentos de penetración de clavos, analizará sus respectivas ventajas y, finalmente, propondrá métodos para mejorar el modelo de penetración de clavos para el siguiente paso de establecer un modelo preciso de penetración de clavos de baterías de iones de litio como referencia.

1 Prueba de seguridad de penetración en las uñas de las baterías de iones de litio

La prueba de penetración de clavos para baterías de iones de litio se realiza utilizando una aguja de acero resistente a altas temperaturas de φ 5~ φ 8 mm (con un ángulo de la punta de la aguja de 60 ° y una superficie lisa sin óxido, capa de óxido ni manchas de aceite) debe insertarse a una velocidad de (25 ± 5) mm/s desde la dirección perpendicular a la placa del electrodo de la batería, y la posición de penetración debe estar cerca del centro geométrico de la superficie de penetración del clavo (la aguja de acero permanece en la batería). El cortocircuito en el interior de la batería debe provocarse artificialmente y observarse durante un período de tiempo. La prueba de penetración de clavos se muestra en la figura 1. Si la pila no se incendia, echa humo ni explota, superará la prueba de penetración de clavos. En caso contrario, no lo superará. El experimento de penetración de clavos estudia principalmente los efectos de la velocidad de penetración de los clavos, la posición de penetración de los clavos, el estado de carga, la capacidad de la batería, etc. sobre la seguridad de la batería.

Durante el proceso de penetración de clavos de las baterías de iones de litio, pueden producirse cortocircuitos internos en cuatro situaciones diferentes

(1) Se produce un cortocircuito interno entre los colectores de corriente positivo y negativo (lámina de aluminio y lámina de cobre)

(2) Se produce entre el papel de aluminio y el electrodo negativo

(3) Ocurrido entre los electrodos positivo y negativo

(4) Se produce entre la lámina de cobre y la puerta del electrodo positivo.

Por otra parte, durante el proceso de penetración de clavos de las baterías de iones de litio, a menudo se desencadena más de un tipo de cortocircuito interno, y la situación del cortocircuito interno también evolucionará con el tiempo. Esta es la razón subyacente del mecanismo poco claro del cortocircuito interno y de la escasa repetibilidad durante el proceso de prueba de penetración de clavos de las baterías de iones de litio.

Según los conocimientos actuales, el proceso básico del cortocircuito interno causado por las baterías de iones de litio durante el proceso de penetración de clavos es el siguiente: En primer lugar, el calor Joule generado por el cortocircuito interno provoca un rápido aumento de la temperatura local de la batería. Cuando la temperatura alcanza un determinado valor, provoca la descomposición de la membrana SEI (80-120 ℃) y la fusión de la membrana (165 ℃). La descomposición de las membranas SEI y la fusión de las membranas generan más calor, lo que favorece la descomposición del electrolito (130-300 ℃) y la reacción de reducción del electrodo negativo (100-400 ℃), mientras que la reacción de oxidación del electrodo positivo (160-400 ℃) conduce finalmente a un calentamiento incontrolado.

Los parámetros que deben comprobarse en las pruebas de seguridad de la penetración de clavos incluyen

(1) Cambios de temperatura en diferentes posiciones de las baterías de iones de litio durante el proceso de penetración de clavos

(2) Cambios de tensión en las baterías de iones de litio durante el proceso de penetración de clavos

(3) La velocidad de autocalentamiento, la temperatura inicial de fuga térmica, el nivel de reacción y el coeficiente de Arrhenius de las baterías de iones de litio durante el proceso de penetración de clavos.

Estos parámetros se utilizan para analizar las posibles reacciones que pueden producirse durante el proceso de penetración de las baterías de iones de litio en las uñas, así como la aparición del escape térmico. En la actualidad, grupos de investigación nacionales y extranjeros han analizado el proceso y su impacto en la seguridad de las baterías desde diferentes perspectivas mediante experimentos de penetración de clavos.

2 Resultados reales de las pruebas

Se realizó una prueba de penetración de clavos en una batería de iones de litio 18650 con una capacidad de 22 Ah y se descubrió que, a medida que aumentaba la velocidad de penetración de los clavos, aumentaba la probabilidad de que la batería de iones de litio superara la prueba de seguridad. Después de estudiar el efecto de la velocidad de la aguja en la seguridad de las baterías de iones de litio en China, se cree que la velocidad de la aguja tiene un impacto relativamente pequeño en la seguridad de la aguja de las baterías cilíndricas; Y tiene un impacto significativo en la seguridad de las baterías de potencia de paquete blando. En concreto, cuanto mayor es la velocidad de penetración de la aguja, mayor es la posibilidad de fuga térmica de la batería. Algunas personas creen que cuando la velocidad de penetración de la aguja es más lenta, la generación de calor local de la batería es mayor.

De ello se desprende que las conclusiones de los tres trabajos anteriores no son coherentes. Hay muchas razones que pueden provocar esta situación. En primer lugar, las estructuras de enrollado y apilado son diferentes, y la batería de tipo enrollado tiene un contacto más estrecho entre las capas. En segundo lugar, cuando la velocidad de penetración del clavo es baja, por un lado, la extensibilidad del diafragma protege la pila y evita que se produzcan cortocircuitos internos. Por otro lado, cuando se produce un cortocircuito interno, aumenta la duración de la corriente local elevada. Además, los diferentes grosores de la lámina de cobre, la lámina de aluminio, los electrodos positivo y negativo y los separadores también pueden dar lugar a diferentes resultados de la prueba a diferentes velocidades de perforación de la aguja.

Realizaron pruebas de perforación con agujas en baterías de iones de litio totalmente cargadas utilizando agujas cúbicas de acero con unas dimensiones de 40 mm x 1,5 mm x 1,5 mm desde diferentes posiciones de la batería. Descubrieron que la posición en el centro del borde verde de la batería, lejos de la dirección de la oreja del polo, provocaba el mayor aumento de temperatura y tenía la peor seguridad. Creen que la razón principal de este fenómeno es la escasa conductividad térmica del separador del borde de la batería, que limita la disipación térmica de las baterías de iones de litio.

Realizaron pruebas de penetración de clavos en baterías de iones de litio 18650 con una capacidad nominal de 22 Ah bajo diferentes estados de carga (SOC). Se comprobó que, a medida que disminuye el SOC, aumenta la probabilidad de que las baterías de iones de litio superen las pruebas de seguridad. Esto se debe a que cuanto mayor es el estado de carga, mayor es la tensión inicial de la batería. Esto aumenta aún más la corriente interna de cortocircuito y prolonga el tiempo de cortocircuito. Como resultado, la seguridad de las pruebas de penetración de clavos de las baterías de iones de litio empeora.

Se ha realizado un análisis de penetración de clavos en baterías de iones de litio de 604-1104 m Ah totalmente cargadas y se ha descubierto que cuanto mayor es la capacidad de la batería, peor es la seguridad de las pruebas de penetración de clavos en baterías de iones de litio.

Además, realizaron análisis de pruebas de penetración de clavos en baterías de iones de litio de polímero utilizando separadores cerámicos. Recogieron la temperatura de múltiples baterías con diferentes SOC en el área de penetración de clavos y la superficie de la batería, los cambios de voltaje de las baterías y el estado de rebaba de las baterías de iones de litio después de la penetración de clavos. A partir de ahí, analizaron el mecanismo de penetración del clavo. Se cree que el proceso de penetración de la aguja a través de la batería hace que las rebabas de aluminio y las rebabas de cobre se conecten, formando un cortocircuito interno entre la lámina de aluminio y la lámina de cobre.

La temperatura de la zona de cortocircuito local aumenta con la generación de calor Joule. Si la temperatura alcanza la temperatura de fusión del aluminio, las rebabas de aluminio se fundirán y arderán, provocando un cortocircuito con las rebabas de cobre. Se pueden resumir en tres modelos: Modelo A, en el que las fresas de aluminio se funden y las fresas de cobre ya no entran en contacto. Las fresas de aluminio del Modelo B no se funden y forman un cortocircuito interno en contacto con las fresas de cobre. Las fresas de aluminio del modelo C no se funden completamente y, al cabo de un tiempo, vuelven a entrar en contacto con las fresas de cobre, formando un cortocircuito interno. Creen que cambiar la combustión y la fusión de las rebabas de aluminio es una nueva dirección para el diseño de la seguridad de las baterías.

No sólo registraron la temperatura cerca de la aguja de la batería, la temperatura del electrodo y el voltaje de la batería en el experimento de penetración de clavos, sino que también registraron los cambios de presión en la superficie de la batería y encontraron una clara correspondencia entre el pico de presión en la superficie de la batería y el pico de temperatura en la batería.

Creen que, además de la tensión y la temperatura de la batería, la seguridad de la batería también puede describirse aumentando otras magnitudes de medición, como la presión. El experimento anterior permite analizar de forma más realista la penetración de los clavos en las baterías de iones de litio mediante métodos experimentales. Sin embargo, el tipo de cortocircuito que se produce en el interior de la batería durante la prueba de penetración de clavos es sólo una especulación y no tiene un buen soporte teórico. El modelo de penetración de clavos de las baterías de iones de litio es otro método para analizar el mecanismo de penetración de clavos de las baterías de iones de litio y mejorar sus prestaciones de seguridad.

3 Conclusiones

Este artículo resume el análisis experimental del proceso de penetración de clavos en baterías de iones de litio. Entre ellos, el modelado y la simulación del proceso de penetración del clavo de la batería es una herramienta importante para estudiar el mecanismo de penetración del clavo de la batería, mejorar el diseño de la estructura de la batería y mejorar el rendimiento de seguridad de la batería. En la actualidad, el método experimental no puede indicar claramente el problema de seguridad de la penetración de los clavos de la batería. Sin embargo, los modelos de penetración de clavos existentes no son suficientes para describir con precisión el proceso de penetración de clavos y el cortocircuito interno causado por las baterías de iones de litio. Por lo tanto, seguir mejorando y perfeccionando el modelo de penetración de clavos de las baterías de iones de litio es un medio importante para mejorar el análisis de seguridad de los cortocircuitos internos de las baterías.