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Ensayo de abuso térmico de una batería de iones de litio

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Ensayo de abuso térmico de una batería de iones de litio

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1.Seguridad de las baterías de iones de litio en condiciones de sobrecalentamiento

Los problemas de seguridad de las baterías de iones de litio se manifiestan principalmente por incendios y explosiones causados por calor incontrolado. Las causas del desbordamiento térmico pueden dividirse en condiciones externas y condiciones internas. La temperatura interna de la batería también aumenta cuando lo hace la temperatura externa. Cuando la temperatura sube hasta un cierto punto, el diafragma se cierra térmicamente y los polos positivo y negativo se aíslan como protección de seguridad. Sin embargo, si el diafragma no se cierra eficazmente, o el diafragma se funde y se rompe, u ocurren otras reacciones exotérmicas dentro de la batería al mismo tiempo, de modo que la temperatura de la batería sigue siendo alta, puede causar problemas de seguridad. Se puede ver que los problemas de seguridad causados por el sobrecalentamiento son el resultado de la acción integral de las condiciones internas y externas.

Por ejemplo, cuando la temperatura de la batería del sistema de cobalto de litio supera el límite de seguridad (como 150 ℃), es muy fácil que se produzca un incendio o una explosión de la batería debido a la estabilidad térmica del diafragma y a la violenta reacción de oxidación del electrolito y el electrodo positivo.

2.Método de prueba del sobrecalentamiento de las baterías de iones de litio

En la actualidad, las normas para evaluar la seguridad de las baterías de iones de litio incluyen principalmente normas internacionales (como las normas IEC), normas nacionales o regionales (como las normas JIS, GB, EN, etc.) y normas industriales (como las normas UL, IEEE, SJ, QB, etc.). En estas normas, muchas han utilizado la "prueba de abuso térmico" para evaluar la seguridad de las baterías de iones de litio en condiciones de sobrecalentamiento. Por ejemplo, el método de prueba de abuso térmico especificado en la norma IEC 62133:2002 es el siguiente: "Después de que la batería completamente cargada se estabilice a temperatura ambiente, colóquela en un termostato con convección natural o de aire circulante, y el termostato se calienta a 130 ℃ ± 2 ℃ a una velocidad de 5 ℃/min ± 2 ℃/min. Mantenga esta temperatura y detenga la prueba después de 10 minutos para comprobar si la batería está ardiendo o explotando." Estas normas son básicamente consistentes con el método de prueba para la prueba de abuso de calor, Sólo las condiciones de prueba son ligeramente diferentes.

La norma de la batería de iones de litio, que se inventó unos años después de la invención de la batería primaria de litio, también se formuló después de la norma de la batería primaria de litio. Muchas de las pruebas de seguridad de las baterías de iones de litio también se basan en las de las baterías de litio primarias. La prueba de abuso térmico de las baterías de iones de litio se originó a partir de la prueba de abuso térmico de las baterías de litio primarias. Por ejemplo, la prueba de abuso térmico de las baterías de iones de litio de la norma IEC 62133 coincide básicamente con la prueba de abuso térmico de las baterías primarias de litio de la norma IEC 60086-4 Primary Batteries - Part 4: Safety Requirements for Lithium Batteries, desarrollada anteriormente.

3.Análisis de las condiciones de ensayo

3.1 Análisis del tiempo de mantenimiento a alta temperatura

En las normas existentes, el método de prueba de la batería de iones de litio es básicamente "el incubador se calienta a una cierta temperatura alta a un cierto ritmo y se mantiene a esta temperatura durante un período de tiempo". El tiempo de mantenimiento de este método de prueba comienza cuando la temperatura de la incubadora alcanza una determinada temperatura alta. Sin embargo, este método carece de equidad para diferentes baterías, especialmente para baterías de diferentes tamaños. La velocidad de calentamiento de las distintas pilas no es necesariamente la misma. Debido a la gran diferencia entre la velocidad de transferencia de calor de la batería de iones de litio y el aire, la velocidad de calentamiento de la batería es inferior a la del termostato. La temperatura de la batería de iones de litio no puede coincidir completamente con la temperatura del termostato. Por lo tanto, cuando la temperatura de la incubadora alcanza una cierta temperatura alta, la batería tardará un tiempo en mantener la misma temperatura que la incubadora. Dado que el material, la forma, el tamaño y la calidad de la batería son diferentes, el tiempo de equilibrado necesario también es diferente.

Se seleccionan como muestra cuatro baterías típicas de iones de litio: batería cuadrada de pequeña capacidad, batería cilíndrica, batería cuadrada de gran capacidad y batería de polímero. Se coloca la muestra en una incubadora, que se calienta hasta 130℃ a una velocidad de 5℃/min y se mantiene durante un periodo de tiempo.

A través de la comparación, se puede concluir que la tasa de aumento de temperatura de diferentes baterías tiene una gran diferencia, especialmente para las baterías grandes, el tiempo de equilibrio térmico es más largo. Después de que la temperatura de la incubadora se eleva al máximo y se mantiene durante 10 min, la temperatura de la superficie de las otras pilas, excepto la de la muestra (pila de polímero), aún no ha alcanzado la temperatura máxima.

En resumen, no es lo mismo que las distintas pilas empiecen a cronometrarse cuando la temperatura del incubador sube a una determinada temperatura. Especialmente en el caso de las baterías grandes, el objetivo de la prueba y la evaluación no se ha logrado porque la batería no ha alcanzado la temperatura de prueba. Sin embargo, es más razonable controlar la temperatura de la superficie de la batería durante la prueba y tomar la temperatura de la superficie de la batería alcanza una cierta temperatura como la condición de inicio para la temporización, Sin embargo, es difícil de operar porque el tiempo de equilibrio de cada muestra puede ser ligeramente diferente cuando al menos tres muestras se prueban al mismo tiempo. El tipo de batería utilizado en los productos electrónicos actuales se considera de forma exhaustiva y estricta. Es más apropiado tomar la temperatura de la incubadora como condición de prueba después de elevarla a una cierta temperatura y mantenerla durante 30 minutos.

3.2 Análisis de la temperatura máxima de prueba

La temperatura máxima que pueden soportar los distintos materiales de las pilas es diferente, y ser capaz de soportar una temperatura más alta significa que la pila tiene una mayor seguridad en condiciones de sobrecalentamiento. Las características térmicas de los materiales de los diafragmas son muy importantes para la seguridad térmica de las baterías de iones de litio, y la temperatura máxima que pueden soportar los distintos materiales de los diafragmas también es diferente. Los materiales de diafragma más utilizados son el PE, el PP y el PE-PP-PE, que pueden soportar una temperatura máxima de 130 ℃~150 ℃. La seguridad contra el sobrecalentamiento de las baterías fabricadas por ellos también es inconsistente. Las cuatro muestras de baterías mencionadas se sometieron a pruebas de abuso de calor a 130 ℃, 140 ℃, 145 ℃ y 150 ℃ respectivamente.

De la prueba real se desprende que en la prueba de abuso de calor a 130 ℃, la batería casi no tuvo su propia reacción exotérmica tras el equilibrio térmico, lo que hizo que la temperatura aumentara espontáneamente, mientras que en la prueba a 135 ℃, 140 ℃, 145 ℃ y 150 ℃, se produjo su propia reacción exotérmica en diversos grados, y cuanto mayor era la temperatura de prueba, más intensa era la reacción exotérmica. Con el aumento de la temperatura de prueba, la reacción de autocalentamiento de la batería se intensifica gradualmente, y la evaluación de la seguridad es más grave, y el riesgo de incendio y explosión aumenta.

De lo anterior se desprende que 130 ℃ sólo puede utilizarse como la temperatura de prueba más básica para la evaluación del abuso térmico. Al mismo tiempo, la temperatura de prueba también puede aumentarse en función de las diferentes ocasiones de uso de la batería. Además, la prueba también muestra que si la temperatura de la batería se eleva a la temperatura establecida, si el calentamiento no se detiene inmediatamente, se mantendrá a la temperatura establecida durante un período de tiempo para garantizar que se pueda producir una reacción autotérmica suficiente para evaluar mejor su seguridad de sobrecalentamiento.

4.Conclusión

Los problemas de seguridad de las baterías de iones de litio se deben principalmente al desbordamiento térmico. En el caso de las baterías de iones de litio utilizadas en ocasiones especiales, también se puede considerar la posibilidad de evaluar más a fondo la seguridad de las baterías de iones de litio aumentando la temperatura de prueba, ampliando el tiempo de mantenimiento a alta temperatura y otros métodos para endurecer las condiciones de prueba.