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Prueba de estabilidad térmica de la batería de litio - Parte 1

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Prueba de estabilidad térmica de la batería de litio - Parte 1

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Desde la aplicación comercial de las baterías de iones de litio, la tecnología no ha dejado de avanzar y se ha utilizado ampliamente en vehículos eléctricos, almacenamiento de energía, información electrónica y otros campos, promoviendo en gran medida el desarrollo de la sociedad humana. Sin embargo, al mismo tiempo se han producido diferentes formas de explosiones e incendios, lo que ha suscitado preocupación por la seguridad del uso de las baterías de iones de litio. Investigadores anteriores han llevado a cabo extensas investigaciones sobre los riesgos de incendio de las baterías de iones de litio.

Mediante la realización de pruebas de propagación de la combustión en estaciones de carga e intercambio de vehículos eléctricos, se comparó y analizó la estabilidad térmica de distintos tipos de baterías de iones de litio. Se descubrió que la estabilidad térmica de los materiales ternarios de litio es inferior a la del fosfato de hierro y litio y óxido de manganeso, y que es más probable que su temperatura de combustión alcance su valor máximo en un corto periodo de tiempo. Además, los estudios han demostrado que el peligro de explosión térmica de las baterías de iones de litio está estrechamente relacionado con el estado de carga (SOC) de la batería, y el peligro suele aumentar con el incremento del SOC.

Durante el almacenamiento, transporte y uso de las baterías de litio, el calentamiento accidental puede exponerlas a un ambiente caliente, lo que supone un riesgo de abuso térmico. El experimento muestra que la temperatura crítica equivalente para el desbordamiento térmico de las baterías de litio se sitúa entre 123,8 y 139,2 ℃. En condiciones de sobrecalentamiento, las sustancias activas del interior de las baterías de litio se potencian, lo que puede desencadenar fácilmente reacciones químicas exotérmicas entre los materiales de la batería, provocando un rápido calentamiento interno que supere el valor crítico y provoque el desbordamiento térmico y la ignición de la batería. Para simular un entorno sobrecalentado, el calentamiento externo es un método de ensayo muy utilizado que puede acelerar la simulación del proceso de abuso térmico de las baterías de litio.

Sin embargo, la bibliografía se centra principalmente en las características de fuga térmica y las características de combustión de las baterías individuales de iones de litio en condiciones de sobrecalentamiento, y todavía hay una falta de investigación sobre el abuso térmico de los paquetes de baterías modulares. Este artículo utiliza un horno de calentamiento para simular el proceso de abuso térmico de las baterías adyacentes tras el desbocamiento térmico del pack de baterías de litio ternarias 18650, analiza las características de combustión y el comportamiento frente al fuego del pack de baterías de litio bajo diferentes posiciones de calentamiento y condiciones de potencia de calentamiento, y proporciona orientación teórica y datos de apoyo para el uso seguro del pack de baterías de iones de litio ternarias 18650 y el desarrollo de una tecnología eficiente de extinción de incendios.

1 Preparación de la prueba

1.1 Tipo de batería

Este artículo adopta como objeto de investigación un pack de baterías ternarias de iones de litio, con una longitud de 240 mm, una anchura de 220 mm, una altura de 85 mm y un peso de 7 kg. El voltaje del paquete de baterías durante el funcionamiento normal es de 48 V, con una capacidad nominal de 30 Ah. Está compuesto por 156 (12 x 13) celdas de batería estándar 18650, cada una con una altura de 65 mm y un diámetro máximo de 18,4 mm. Antes de la prueba, retire el embalaje exterior del paquete de baterías, ya que está hecho de material ignífugo y no puede encender la batería de litio por calentamiento externo. Además, los circuitos internos y el sistema de gestión de la batería permanecen inalterados, y el estado de carga (SOC) de la batería es del 100%.

1.2 Disposición de la prueba

Toda la prueba se llevó a cabo en un espacio confinado estrecho, con una longitud de 12 metros, una anchura de 2 metros y una altura de 2,4 metros, como se muestra en la Figura 2. Hay puertas en ambos lados longitudinales del espacio confinado, que no se han modificado. Hay puertas en ambos lados longitudinales del espacio confinado, que permanecen cerradas durante la prueba.

En el centro del lateral se ha instalado una ventana de observación de 1,2 m de longitud y 0,6 m de altura, y en la parte superior de la pared opuesta se ha instalado un extractor de humos para mantener la ventilación durante la prueba. Se instala un total de 11 boquillas de agua nebulizada en la parte superior del espacio confinado, con un intervalo de 1 m entre las boquillas, para realizar pruebas de extinción de incendios con agua nebulizada y servir como medidas de extinción de incendios y refrigeración de reserva para evitar la combustión incontrolada durante los incendios.

Coloque el paquete de baterías de litio horizontalmente en un soporte con el polo positivo hacia arriba. El soporte es una estructura de malla que facilita el calentamiento desde la parte inferior de la batería. En la prueba se utilizaron dos métodos de calentamiento:

(1) El horno de calentamiento está situado en la parte inferior de la batería de litio, y la superficie de calentamiento del horno eléctrico está a 8 cm de la superficie inferior de la batería. Calienta continuamente el electrodo negativo de la superficie inferior de la célula de la batería;

(2) El horno de calentamiento eléctrico está situado en el lateral de la batería de litio, a 8 cm de distancia, y calienta continuamente el lateral de la batería. La superficie de calentamiento efectiva del horno eléctrico es de 12 cm de largo, 12 cm de ancho y tiene un área de 144 cm ²， La potencia de calentamiento es ajustable de 0 a 2000 W.

El proceso de utilización de una fuente de calor externa para calentar la batería de litio y provocar la ignición consiste en abrir el horno eléctrico para un calentamiento continuo hasta que la batería de litio prenda fuego, entonces se desconecta la alimentación y se detiene el calentamiento.

En la prueba, se dispusieron cuatro pares térmicos blindados en forma de K (T 1, T 2, T 3, T 4) dentro del paquete de baterías, con un diámetro de 1 mm. El par térmico se situó en el centro de la celda de la batería, a 30 mm de la parte inferior, para recoger los cambios de temperatura en las distintas posiciones de la batería. Sin embargo, para el calentamiento inferior y el calentamiento lateral, la colocación del par térmico no era la misma. Además, se instaló una cámara de alta definición en la parte frontal para grabar el proceso de propagación de la combustión del pack de baterías.

1.3 Condiciones de prueba

Se realizaron un total de 5 pruebas. El método de calentamiento para las pruebas 1-3 es el calentamiento inferior, mientras que el calentamiento lateral se utiliza para las pruebas 4 y 5, principalmente para estudiar la influencia de las diferentes posiciones de calentamiento en las características de propagación de la combustión de las baterías de litio. Sobre esta base, se realizó una serie de pruebas de extinción de incendios, concretamente la prueba 3, utilizando agua nebulizada como método de extinción. Las pruebas 1 y 2 se repitieron utilizando el método de calentamiento inferior. Además, las pruebas 3 y 5 tienen una potencia calorífica superior de 2 kW en comparación con los otros tres grupos, y se utilizan para estudiar los cambios en la temperatura interna y las características de combustión de los paquetes de baterías de litio bajo la condición de aumentar la potencia de la fuente de calor externa.