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Prueba de seguridad de penetración de clavos en baterías de iones de litio - Parte 1

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Prueba de seguridad de penetración de clavos en baterías de iones de litio - Parte 1

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La compresión de las baterías eléctricas por objetos punzantes es la principal forma de daños causados por las colisiones de automóviles. En casos graves, las baterías de iones de litio pueden explotar, causando daños a los vehículos eléctricos e incluso lesiones personales.

Con el fin de revelar el rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio en condiciones de penetración de clavos, esta prueba utilizó la cámara de prueba de penetración de clavos DGBELL, y utilizó una aguja de acero de tungsteno de cabeza plana de 5 mm de diámetro para perforar la batería cilíndrica de iones de litio 18650.

Se analizó la influencia de cuatro parámetros (estado de carga, velocidad de penetración del clavo, profundidad y posición) en el rendimiento de seguridad de las baterías de iones de litio, y se observó el fenómeno de fuga térmica de las baterías de iones de litio. Se registraron los datos de caracterización de la temperatura, la tensión de circuito abierto y la carga de las baterías de iones de litio antes y después de la prueba. Los resultados de las pruebas muestran que las baterías de iones de litio presentan patrones de evolución significativos en condiciones de punción con aguja.

Las baterías de iones de litio no experimentan inmediatamente un desbordamiento térmico tras la punción con aguja, sino que tienen un cierto tiempo de reacción; cuanto mayor es el estado de carga, más profunda es la penetración de la aguja, y más probable es que las baterías de iones de litio experimenten un desbordamiento térmico, que está correlacionado positivamente con la gravedad del desbordamiento térmico;

Cuanto más cerca esté de los terminales positivo y negativo de una batería de iones de litio, más intensa será la reacción; No existe una correlación significativa entre la velocidad de acupuntura y si se produce el desbordamiento térmico. Por último, basándose en los resultados de las pruebas, se ofrecen sugerencias para el transporte, el uso seguro y el diseño de algoritmos de alerta temprana de las baterías de iones de litio.

1 Introducción a la prueba

La prueba utiliza baterías cilíndricas de iones de litio 18650 con una capacidad nominal de 1200 m Ah. Utilice un sistema de prueba de baterías para cargar y descargar las baterías de litio hasta el SOC requerido en la prueba utilizando un método de corriente constante y tensión constante.

En la prueba, el rango es de 0-200 mm y el valor de la fuerza es de 2-20 kN para simular el proceso de carga de punzonado con aguja. Se utiliza una aguja de acero de tungsteno macizo de cabeza plana con un diámetro de 5 mm. Teniendo en cuenta el riesgo de explosión de las baterías de litio durante la carga de punzonado con aguja, la cámara de pruebas tiene función antideflagrante.

La prueba consideró la influencia de cuatro factores: SOC, velocidad, posición y profundidad, incluyendo cuatro series de pruebas. En la prueba de ensayo, las agujas de acero se insertaron en tres lugares, a saber, en la parte superior, media e inferior de la batería de litio. Después de perforar la batería con una aguja de acero, se observa durante 1 hora y luego se retira la batería para guardar los datos testales actuales. Después de cada prueba, se deja reposar durante 30 minutos para comprobar la temperatura en el interior de la aguja de acero y la cámara de prueba.

Espere a que vuelva a la temperatura ambiente antes de proceder a la siguiente prueba. Además, todas las condiciones de la prueba se controlaron mediante el método de variables de control para excluir la influencia de factores no relacionados. Y cada prueba debe repetirse al menos 3 veces, y los datos de la prueba con buena repetibilidad deben tomarse para la investigación para eliminar la aleatoriedad de la prueba y garantizar la exactitud de los datos testales.

2 Resultados y análisis de la prueba de penetración de clavos

2.1 Análisis de las características

Se seleccionaron cinco estados de carga diferentes (SOC del 20%, 40%, 60%, 80% y 100%) de baterías de litio para las pruebas de punción con aguja. Se registraron los nodos de tiempo de carga última y caída de tensión terminal de las baterías de litio en diferentes condiciones de SOC.

La tendencia en la sección frontal de la curva bajo los cinco estados de carga es aproximadamente la misma, experimentando primero una etapa de crecimiento lineal, entrando después en una zona de plataforma de crecimiento lento con pocos cambios en la capacidad de carga, y entrando después en una etapa de crecimiento de alta velocidad, mostrando un crecimiento exponencial. En la fase inicial de carga de prueba, la carcasa de acero de la batería empieza a soportar la carga en primer lugar y, tras un cierto grado de carga continua, empieza a comprimir los huecos entre las capas internas del núcleo y la parte hueca más interna. Así pues, el cambio de carga inicial es muy pequeño y, una vez compactados los huecos internos de la pila, la carga aumenta rápidamente. La carga generada en el momento en que la resistencia de la carcasa de la batería falla y se perfora se denomina carga límite.

Mediante pruebas, se puede observar que no existe una relación de crecimiento simple entre la carga última y el SOC, y que la carga última máxima corresponde a un SOC del 60%. La posible razón es que la cantidad de litio incrustado en el material del electrodo negativo aumenta con el incremento del SOC, por lo que las baterías con un SOC del 60% tienen una mayor capacidad de carga en comparación con las baterías con un SOC del 60% o inferior. Cuando el SOC es superior al 60%, el contenido de sustancias químicas activas dentro de la batería de litio aumenta gradualmente.

Durante el proceso de punzonado de la aguja, la reacción de fuga térmica es grave, y una gran cantidad de gas se desborda de la válvula de seguridad positiva y de la posición de punzonado de la aguja, haciendo que la batería de litio se hinche y se deslice limitadamente, lo que provoca una disminución de su fuerza de reacción. Por lo tanto, el cambio en la cantidad de inserción de litio y la aparición de un deslizamiento limitado en este momento provocarán una disminución de su carga límite.

Para eliminar la aleatoriedad de las pruebas, el Grupo 1 realizó múltiples pruebas repetidas en cada estado de carga, y puede verse que la carga última media de la batería no es simplemente una relación de crecimiento con el SOC. Cuando el SOC está entre el 20% y el 60%, la carga última media de las baterías de litio aumenta con el incremento del SOC, y la carga última media de las baterías de litio con un SOC del 60% es superior al 80%. Cuando el SOC está entre el 80% y el 100%, también aumenta con el incremento del SOC.

Registre las curvas de tiempo de tensión de diferentes baterías SOC. Los resultados indican que el SOC de la batería tiene un cierto impacto en su respuesta de tensión, y el punto temporal en el que cae la tensión terminal de la batería coincide en gran medida con el punto temporal en el que la batería alcanza su carga máxima, lo que indica que el cortocircuito interno de la batería se produce en el momento del pinchazo.

La tensión con SOC del 20% y el 40% no cayó bruscamente a 0 V en el nodo temporal de la caída de carga máxima, sino que primero experimentó un periodo de fluctuación y luego cayó a alrededor de 0 V. La razón de esto puede ser que la reactividad química dentro de la batería disminuye en condiciones de SOC bajo, y no se produce una reacción inmediata durante un cortocircuito.

Tras comparar las curvas de temperatura-tiempo en diferentes condiciones de SOC, se observa que cuanto mayor es el estado de carga de la batería, antes aumenta la temperatura, y el pico de temperatura correspondiente también es mayor. Por otra parte, las baterías de litio de alto SOC tienen un alto contenido de sustancias químicas internas, y la reacción es intensa cuando se introduce una aguja de acero en la batería para cortocircuitarla. Todas las baterías de litio han experimentado desbocamiento térmico, con salida de electrolito por el lugar de punción y emisión de una gran cantidad de humo blanco tras la deformación.

En la fase posterior de la carga, la temperatura de la batería aumenta rápidamente en poco tiempo, acompañada de la rápida descarga de gases irritantes. Esto se debe a que después de que la aguja de acero perfora la carcasa de la batería de litio, las sustancias activas internas y el electrolito sufren reacciones de oxidación-reducción con el aire.

La deformación tras la perforación de la aguja al 100% de SOC dio lugar a una explosión tras aproximadamente 136 segundos de carga. La válvula de seguridad positiva salió despedida, emitiendo una gran cantidad de humo blanco, y la temperatura máxima alcanzó 162,9 ℃ en el momento de la explosión. Debido a la gran cantidad de gas que escapó del lugar de punción en el momento de la explosión, se puede observar que el lugar de punción de la batería está gravemente dañado e hinchado.