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Acerca de la prueba de aplastamiento de baterías de litio

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Acerca de la prueba de aplastamiento de baterías de litio

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Debido a las limitaciones de los materiales, la tecnología de las baterías y los procesos de fabricación, las baterías de iones de litio siempre se han enfrentado a importantes riesgos de incendio durante su uso. La seguridad de las baterías de iones de litio en caso de colisión y compresión siempre ha sido objeto de atención.

En general, los incendios provocados por fuerzas externas en las baterías de iones de litio se deben fundamentalmente a cortocircuitos internos debidos a graves deformaciones y daños, que dan lugar a intensas reacciones electroquímicas y a una elevada generación de calor en el interior de la batería, lo que en última instancia provoca el desbordamiento térmico y la explosión por combustión de la batería.

Parte de los experimentos investigaron la integridad mecánica de las baterías cilíndricas de iones de litio, y obtuvieron el comportamiento de fallo de las baterías bajo diferentes fuerzas mecánicas externas a través de experimentos y simulaciones numéricas. Algunos investigadores han estudiado el comportamiento de fuga térmica de las baterías de iones de litio 18650 bajo diversos métodos de aplastamiento. Aunque la batería no se dañe ni se rompa bajo compresión, puede llegar a producirse un accidente catastrófico. Numerosos informes de investigación se centran más en la teoría fundamental de la combustión térmica fuera de control en las baterías de iones de litio, mientras que hay relativamente poca investigación sobre las pruebas de seguridad del aplastamiento de las baterías de iones de litio.

En la actualidad, existen normas para la seguridad de las baterías de iones de litio, que proponen métodos experimentales de aplastamiento específicos para las baterías de iones de litio y los paquetes de baterías. La velocidad de aplastamiento especificada es de (5 ± 1) mm/s, y la deformación por aplastamiento es del 30%. Esto es muy diferente de las condiciones de colisión y compresión que experimentan las baterías en los accidentes de tráfico reales, y la evaluación de la seguridad contra incendios de las baterías en las normas también es relativamente vaga. Sólo se consideran no aptas las baterías que realmente han ardido o explotado, y no se puede evaluar específicamente el peligro de incendio de las baterías que han explotado o ardido. Por lo tanto, no puede cumplir los requisitos de evaluación de la seguridad en caso de incendio, evaluación de la seguridad en el lugar del incendio e investigación de incendios. Los criterios de evaluación de la norma UL 1642 también estipulan que las baterías se consideran no cualificadas sólo si experimentan una combustión o explosión.

De esto se deduce que las normas de ensayo existentes son sólo criterios para evaluar la cualificación de los productos de baterías, y no pueden utilizarse para evaluar el riesgo de incendio de las baterías. El autor de este artículo pretende llevar a cabo experimentos sistemáticos de compresión en baterías de iones de litio comunes para estudiar el impacto de las diferentes condiciones de compresión en la seguridad contra incendios de las baterías de iones de litio, con el fin de proporcionar una referencia para la evaluación del riesgo de incendio por compresión de las baterías de iones de litio.

1 Ensayo

1.1 Objeto de ensayo

batería de iones de litio 18650, SOC 50%

Batería de óxido de litio-cobalto ICRIB1

ICRIB2 batería de óxido de litio-cobalto

TCLIB3 pila de níquel-cobalto-manganeso-litio

1.2 Métodos de ensayo

El experimento se llevó a cabo en la máquina horizontal de ensayo de penetración de clavos por aplastamiento de baterías DGBELL BE-6047AP. Se fijó la batería en la máquina de ensayo con un accesorio de manera que la dirección de la placa de electrodos de la batería fuera perpendicular a la dirección de compresión.

Las cuatro velocidades de aplastamiento utilizadas en el experimento fueron 50 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min y 400 mm/min, respectivamente, con variables de deformación por aplastamiento del 10%, 20%, 30%, 40% y 50%. Apriete la pila a una velocidad de aplastamiento constante establecida, deje de apretar cuando la deformación de la pila alcance el valor establecido y observe la pila.

Durante el experimento, el termopar tipo K del sensor de temperatura se fijó al electrodo positivo de la batería de iones de litio con cinta aislante de alta temperatura. Se utilizó un dispositivo de adquisición de temperatura personalizado para recoger los datos de temperatura medidos por el termopar y registrar los cambios de temperatura del electrodo positivo durante el experimento.

2 Resultados y discusión

2.1 Influencia de las variables de deformación por aplastamiento

Cuando la velocidad de aplastamiento es de 50 mm/min, se registran los cambios de temperatura de la superficie del electrodo positivo de cada pila a lo largo del tiempo en el experimento de aplastamiento con diferentes variables de deformación.

De los datos experimentales se desprende que cuando la deformación por aplastamiento es inferior al 20%, no se producen cambios significativos en la temperatura de la superficie del electrodo positivo de ICRIB1 tras la compresión. Sólo cuando la deformación por aplastamiento alcanza el 30%, la temperatura de la superficie del electrodo positivo de ICRIB1 muestra un aumento significativo, y la velocidad de aumento de la temperatura se acelera. La temperatura alcanza su valor máximo en 90 segundos, y después disminuye lentamente

El cambio de temperatura en la superficie del electrodo positivo de ICRIB2 es similar al de ICRIB1, y el cambio de temperatura no es significativo cuando la deformación por aplastamiento es inferior a la de la superficie del electrodo positivo de ICRIB2. Cuando la deformación por aplastamiento es del 30%, la temperatura extrema de IRIB1 aumenta, con una temperatura máxima de unos 37 °C. El tiempo exotérmico es más largo, y la temperatura disminuye lentamente.

Cuando la deformación por aplastamiento es del 40%, la temperatura del electrodo positivo de la batería aumenta rápidamente, alcanzando un máximo de unos 57 ℃, y una gran cantidad de electrolito fluye fuera del electrodo positivo. Cuando la variable de deformación se fija en el 50% para el aplastamiento, la tendencia de cambio de temperatura del electrodo positivo de la batería es similar a la de la variable de deformación del 40%, con un aumento de la temperatura máxima hasta aproximadamente 63 ℃ y una gran cantidad de electrolito que fluye hacia fuera.

El cambio de temperatura en la superficie del electrodo positivo TCLIB3 es significativamente diferente del de ICRIB1 e ICRIB2. Cuando la deformación por aplastamiento es inferior al 10%, no se produce ningún cambio significativo en la temperatura de la superficie del electrodo positivo TCLIB3. Cuando la deformación por aplastamiento es del 20%, la temperatura del electrodo positivo de TCLIB3 aumenta significativamente, alcanzando una temperatura máxima de unos 47 ℃, y fluye una pequeña cantidad de electrolito.

Cuando la deformación por aplastamiento es del 30% y del 40%, la temperatura del electrodo positivo aumenta ligeramente y luego disminuye lentamente. Después de soltar la cabeza de aplastamiento, la temperatura vuelve a subir. Cuando la deformación por aplastamiento es del 50%, la pila se rompe después de ser aplastada, y la temperatura del electrodo positivo aumenta rápidamente, alcanzando un máximo de unos 95℃, y luego disminuye. Cuando se suelta la cabeza de aplastamiento, la temperatura vuelve a subir.

Cuando la deformación por compresión de las baterías de electrodo positivo de óxido de cobalto de litio está dentro del 20%, no hay anormalidad obvia de temperatura. Sólo cuando la deformación por compresión es superior al 30%, es fácil que se caliente y forme un cierto peligro de incendio. La batería de electrodos positivos de material ternario es sensible a los cambios de deformación por aplastamiento. Cuando la deformación es del 20%, la temperatura del electrodo positivo aumenta considerablemente.

La temperatura máxima del electrodo positivo en el experimento de aplastamiento puede alcanzar unos 95 ℃, que es superior a los 66 ℃ de la pila de electrodo positivo de óxido de litio y cobalto. Esto indica que la batería de electrodo positivo de material ternario tiene mayores riesgos de seguridad contra incendios cuando se somete a compresión externa. Los resultados de compresión bajo diferentes variables de deformación indican que para evaluar la seguridad contra incendios de las baterías de iones de litio en experimentos de compresión, la variable de deformación debe fijarse en ≥ 30%.

2.2 Impacto de la velocidad de aplastamiento

Establezca la variable de deformación en 30% y observe la variación de temperatura de la superficie del electrodo positivo de cada batería a lo largo del tiempo a diferentes velocidades de aplastamiento.

La temperatura de la superficie del electrodo positivo de ICRIB1 aumenta rápidamente tras el aplastamiento, y durante el experimento puede observarse cómo fluye una gran cantidad de electrolito. Cuando la velocidad de aplastamiento es de 100 mm/min, 200 mm/min y 400 mm/min, las temperaturas más altas son de unos 68 ℃, 81 ℃ y 71 ℃, respectivamente. La velocidad de aplastamiento tiene poco efecto en el aumento de temperatura de ICRIB1, y el aumento de temperatura del electrodo positivo es básicamente el mismo para diferentes velocidades de aplastamiento y la misma tasa de deformación por aplastamiento.

Después de aumentar la capacidad de la batería de 2,2 Ah de ICRIB1 a 2,6 Ah de ICRIB2, se vuelve más sensible a la velocidad de aplastamiento, y el aumento de la temperatura de la superficie del electrodo positivo aumenta aún más con el aumento de la velocidad de aplastamiento. Cuando la velocidad de aplastamiento aumenta de 100 mm/min a 400 mm/min, la temperatura máxima de la superficie del electrodo positivo aumenta de unos 65 °C a unos 95 °C, acompañada de una gran cantidad de electrolito que fluye hacia el exterior.

El cambio de temperatura en la superficie del electrodo positivo de TCLIB3 es similar al de ICRIB2, y cuanto mayor es la velocidad de aplastamiento, mayor es el aumento de temperatura. Cuando la velocidad de aplastamiento es de 50 mm/min, 100 mm/min y 400 mm/min, las temperaturas más altas son de unos 65 ℃, 78 ℃ y 106 ℃, respectivamente, que son superiores a la temperatura más alta de ICRIB2 en las mismas condiciones experimentales. A la velocidad de aplastamiento de 200 mm/min, TCLIB3 explotó, produciendo una gran cantidad de humo blanco, y el diafragma interno y el electrolito salieron pulverizados del electrodo positivo. Debido a los daños sufridos por el electrodo positivo, no pudieron recogerse datos completos sobre el cambio de temperatura.

Los resultados experimentales de diferentes velocidades de aplastamiento indican que cuanto mayor es la velocidad de aplastamiento, mayor es el aumento de temperatura de las baterías de iones de litio y mayor es el riesgo de incendio. Entre los tres tipos de baterías de iones de litio, la batería de electrodo positivo de material ternario presenta el mayor grado de aumento de temperatura a medida que aumenta el grado de compresión, lo que indica el mayor nivel de peligro.

De la comparación experimental de diferentes velocidades de aplastamiento se desprende que, en la evaluación de la seguridad contra incendios de las baterías de iones de litio, la velocidad de aplastamiento debe fijarse en ≥ 200 mm/min para observar mejor las diferencias entre las distintas baterías de iones de litio. Al mismo tiempo, los cambios de temperatura en la superficie de las baterías de iones de litio pueden servir como base importante para juzgar la seguridad contra incendios, especialmente en el caso de las baterías de iones de litio cuya temperatura superficial puede elevarse a más de 100 ℃ durante el aplastamiento, existe un riesgo significativo de combustión natural y explosión.

3 Conclusión

Las baterías de iones de litio son propensas a cortocircuitos internos bajo compresión externa, lo que lleva a la ignición, combustión e incluso explosión. Para estudiar el riesgo de incendio de las baterías de ión-litio en condiciones de compresión, se seleccionaron tres tipos de baterías de ión-litio para realizar experimentos de ignición por compresión bajo diferentes variables de deformación y velocidades de compresión. Se extrajeron las siguientes conclusiones:

Cuando la deformación por aplastamiento de las baterías de electrodo positivo de óxido de cobalto y litio está dentro del 20%, no se produce ninguna anomalía evidente en la temperatura de la batería, y el peligro es relativamente bajo;

Sólo cuando la deformación por aplastamiento alcanza el 30%, es fácil que se genere calor y temperatura, lo que supone un cierto peligro de incendio.

Cuando la deformación de la batería de electrodos positivos de material ternario es del 20%, se produce un aumento significativo de la temperatura, y la temperatura más alta alcanzada es significativamente superior a la de la batería de electrodos positivos de óxido de cobalto y litio. Cuando se somete a compresión externa, el riesgo de incendio es mayor.

A medida que aumenta el grado de compresión de las baterías de iones de litio, aumenta también el aumento de temperatura, y aumenta también el riesgo de incendio.

En comparación con las baterías de electrodo positivo de óxido de cobalto y litio, las baterías de electrodo positivo de material ternario tienen un mayor aumento de temperatura con el aumento de la velocidad de aplastamiento, alcanzando temperaturas más altas, y son más propensas a la combustión y la explosión.

Al evaluar la seguridad contra incendios de las baterías de iones de litio mediante experimentos de aplastamiento, la variable de deformación debe fijarse en ≥ 30%, y la velocidad de aplastamiento en 200 mm/min. Al mismo tiempo, el cambio de temperatura en la superficie de las baterías de iones de litio puede servir como base importante para juzgar la seguridad contra incendios.