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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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La importancia de la prueba de penetración de clavos

La prueba de penetración de clavos es un método de prueba de cortocircuitos internos que comprueba la seguridad de las baterías de iones de litio para soportar cortocircuitos internos. Utiliza clavos de acero para penetrar en la batería, simular un cortocircuito interno y realizar una prueba para confirmar si la batería echa humo, se incendia o se rompe. Además, la prueba de penetración de clavos no es sólo una prueba para confirmar la seguridad de la batería, sino también una prueba para comprender las propiedades básicas de la batería.

En condiciones normales, las placas de los electrodos positivo y negativo de las baterías de iones de litio están aisladas por una película aislante de polímero en el electrolito orgánico: un separador. En este estado, al insertar el clavo de acero en el interior de la batería de iones de litio se crea un cortocircuito entre las placas de los electrodos positivo y negativo, lo que obliga a realizar una prueba de cortocircuito interno. La característica de este método de ensayo es que puede ajustar las condiciones de ensayo, como el diámetro, el material, la profundidad de inserción, la posición de inserción y la velocidad de inserción de los clavos de acero introducidos en la batería.

El peligro de la penetración de clavos

La necesidad de realizar pruebas de penetración de clavos en las baterías de iones de litio significa que son propensas a cortocircuitos en su interior, y si se produce un cortocircuito, se encontrarán en un estado muy peligroso. Las baterías de iones de litio tienen las características de alta densidad energética, baja resistencia interna y permiten un elevado flujo de corriente, lo que las hace muy peligrosas. En general, los cortocircuitos internos en las baterías durante su uso se producen por la presencia de objetos extraños conductores durante el proceso de fabricación, o por impactos o tensiones externas.

En realidad, una vez fabricado el producto, es difícil tomar medidas contra los cortocircuitos internos en los sistemas de control, incluidos los circuitos de carga y descarga de las baterías. Cuando se produce un cortocircuito interno, se genera una enorme corriente de cortocircuito en el interior de la batería, que a su vez genera calor Joule. Este calor provoca una reacción de los electrolitos orgánicos inflamables, produciendo gases a alta temperatura y aumentando la probabilidad de embalamiento térmico. Cuando se produce el desbordamiento térmico, puede producirse humo e incendio y, en casos graves, puede romperse, poniendo en peligro la seguridad personal del usuario.

Desde la perspectiva del usuario, garantizar la seguridad de la batería es crucial para la aplicación de las baterías de iones de litio. Las pruebas con agujas consisten en insertar clavos de acero en la batería, lo que puede crear fácilmente un cortocircuito interno entre los electrodos positivo y negativo. Sin embargo, cuando se inserta el clavo en la batería para formar un agujero en la superficie de la batería, este agujero liberará gas a alta temperatura, provocando un cambio en el estado de disipación de calor interno de la batería, que puede diferir de la situación real de cortocircuito interno.

Prueba de clavo romo

La prueba obligatoria de cortocircuito interno utiliza un clavo esférico en la parte superior, que es un método de prueba que puede crear un cortocircuito interno (pequeño cortocircuito) sin causar perforaciones en la superficie de la batería, conocido como prueba de clavo romo. Este método crea un cortocircuito entre los materiales de los electrodos (placas de electrodos positivo y negativo) de la batería a través de la presión de los clavos, dando como resultado sólo una ligera deformación de la batería probada. En comparación con la prueba habitual de penetración de clavos, este método puede crear un estado más cercano al cortocircuito interno real.

Preparación de la cámara de prueba

Para realizar esta prueba, introducir clavos manualmente en las baterías de iones de litio es definitivamente inviable. No lo intente fácilmente: los clavos pueden salir volando y provocar lesiones en las manos y el cuerpo. Por lo tanto, es necesario que utilicemos una máquina de prueba de clavos. La cámara de pruebas de penetración de clavos DGBELL utilizada aquí (con una presión máxima de 20 k N y una carrera de 200 mm) se ha fabricado para poder instalar clavos de acero de dos diámetros diferentes（ φ 3 mm φ 5 mm, 100 mm)

Medidas de seguridad

Por motivos de seguridad, la máquina de ensayos dispone de una función antideflagrante para evitar que los incendios y explosiones de la batería pongan en peligro la seguridad del personal de ensayos. Debido a consideraciones de precio, la máquina de ensayos dispone de opciones de motores hidráulicos y servomotores informáticos. Los motores hidráulicos son fáciles de manejar, mientras que los servomotores pueden ajustarse con condiciones de ensayo más detalladas, lo que se traduce en una mayor precisión. Equipada con un sistema de adquisición de temperatura y tensión, los datos de temperatura de la batería se recogen mediante termopares de tipo K, plug and play, con un rango de medición de 0-600 ℃. El rango de captación de tensión es de 0-50 V. La caja de pruebas está equipada con fijaciones que permiten fijar baterías y agujas de acero de diferentes tamaños. La velocidad de inserción de la uña es ajustable de 0,1 a 80 mm/s.

Precauciones relacionadas

Aquí probamos tres tipos diferentes de baterías apiladas (300 m Ah, 1000 m Ah, 2000 m Ah). Los datos a medir son los siguientes:

La variación de la tensión de los bornes de la batería a lo largo del tiempo

La temperatura de la superficie de la batería

Cambios en el aspecto y la forma de la batería tras la penetración de clavos

Antes de llevar a cabo el experimento, es necesario preparar cuidadosamente las medidas de prevención de incendios y de seguridad, como evitar salpicaduras, dejar suficiente espacio de mantenimiento para la máquina de ensayo y asegurarse de que el sistema de extinción de incendios puede funcionar con normalidad.

Diferencias causadas por las condiciones de penetración de los clavos

Sobre la base de varios resultados experimentales, incluidos los resultados de las pruebas anteriores, se pueden deducir los siguientes hechos.

(1) En el punto de punción, la tensión en los bornes cae significativamente y desciende gradualmente hasta 0 V. Cuando la tensión desciende hasta cierto punto, se producen fluctuaciones significativas en la curva de tensión.

(2) En la fase de cambios significativos de tensión desde el punto de la aguja hasta el terminal, los resultados de las pruebas de diferentes tipos de baterías y condiciones de la aguja también varían, pero la tensión del terminal caerá a 0 V después de 10-20 segundos.

(3) Cuando se prueban baterías de la misma capacidad, cuanto más gruesa es la uña, mayor es el cambio en la tensión terminal.

Medición de la temperatura de la superficie de la pila

Tras la penetración del clavo, puede obtenerse la temperatura de la superficie de la batería apilada a lo largo del tiempo mediante un sistema de adquisición de temperatura. Utilizando φ El cambio de temperatura de la superficie medido durante la prueba de punción de una batería apilada de 2000 m Ah con un clavo de acero de 5 mm.

Aumento de la temperatura tras la penetración del clavo

Durante la prueba de punción de una batería apilada de 2000 m Ah con un clavo de acero de 5 mm, se produjo una situación de incendio acompañante y temperatura superior a 200 ℃. Además, en la prueba de muestras de baterías de 1000 m Ah φ Se produjo un incendio al perforar un clavo de acero de 3 mm. Utilizando φ En la prueba de punción realizada con un clavo de acero de 5 mm, no sólo se produjo un incendio, sino que la temperatura de la batería también aumentó significativamente. Además, probamos varias muestras de baterías utilizando clavos de acero de diferentes diámetros, y la tendencia del aumento de la temperatura con el tiempo es similar a la de la figura anterior. Por otra parte, la temperatura más alta medida para diferentes celdas de la batería también puede estar por debajo de 100 ℃.

Resumen

Esta prueba, al cortocircuitar los electrodos positivo y negativo, convierte instantáneamente la energía eléctrica almacenada en el interior de la batería en energía térmica, generando calor suficiente para provocar la combustión y explosión del electrolito. Desde el punto de vista energético, el calor generado al encender gasolina es casi el mismo. ¡Qué prueba más peligrosa! Creo que usted ya tiene cierta comprensión, no es fácil poner en práctica esta prueba. Sin embargo, como evaluación de seguridad para el diseño y la fabricación de baterías, la prueba de penetración de clavos se puede implementar sin depender de una gran cantidad de fondos, y los resultados de la medición se pueden reflejar en la producción. Por último, las baterías de iones de litio son seguras dentro del rango nominal especificado por el fabricante. Exceder el rango nominal, como sobrecargas o descargas repetidas, puede hacer que la batería se incendie o se dañe.