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Prueba de seguridad de penetración de clavos en baterías de iones de litio - Parte 2

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Prueba de seguridad de penetración de clavos en baterías de iones de litio - Parte 2

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2.2 Diferentes velocidades de perforación de la aguja

Las velocidades de carga se fijan en 1 mm/min, 5 mm/min, 10 mm/min y 20 mm/min.

Puede observarse que la carga última aumenta con el incremento de la velocidad, y la carga última media máxima es de 1,56 kN (20 mm/min). Cuando la velocidad de carga de la muestra aumenta de 1 mm/min a 20 mm/min, la carga última media aumenta un 14%.

Las dos baterías experimentales del Grupo 2 experimentaron un desbordamiento térmico, con reacciones violentas en el interior de las baterías. Salió una gran cantidad de electrolito del lugar de punción y se emitió humo blanco. De la curva tensión-tiempo se desprende que, a medida que aumenta la velocidad, el tiempo necesario para la caída de tensión se reduce significativamente, y la tensión en bornes cae básicamente hasta alrededor de 0V.

Las velocidades de calentamiento y enfriamiento y las temperaturas máximas de la batería tras ser penetrada a cuatro velocidades diferentes son básicamente las mismas. Esto se debe a que la membrana de la pila cilíndrica tiene poca ductilidad, y es fácil perforar la membrana durante el proceso de perforación con aguja, lo que da como resultado terminales positivos y negativos extremadamente cortos. La velocidad tiene poco efecto sobre la temperatura superficial de la pila seleccionada en el experimento, y la temperatura pico es ligeramente superior cuando la velocidad de perforación de la aguja es de 20 mm/min, alcanzando los 100 ℃. En otras condiciones de velocidad, la temperatura máxima de la superficie de la pila es básicamente la misma, en torno a 95 ℃, lo que indica que la energía liberada por la pila se ve menos afectada por la velocidad de punzonado de la aguja.

2.3 Diferentes profundidades de penetración de la aguja

Un aumento de la profundidad de punción de la aguja conllevará un aumento del número de puntos de electrodo y del área de contacto para cortocircuitos, aumentando la probabilidad de cortocircuitos directos. Tras los cortocircuitos, se producirán una serie de reacciones secundarias. Por lo tanto, estudiar el impacto de las diferentes profundidades en el rendimiento de seguridad de las baterías de litio y encontrar la profundidad crítica a la que se producen los cortocircuitos es de gran importancia para la alerta temprana.

Cuando la profundidad es de 10 mm, no se produce ningún cambio en la tensión, lo que indica que no hay cortocircuito en el interior de la batería de litio. Cuando la profundidad es de 11 mm, la tensión cae de 3,9 V a 3,6 V en unos 124 segundos, después sube lentamente a 3,78 V y se mantiene en torno a los 3,78 V, lo que indica que los polos positivo y negativo del interior de la batería se han cortocircuitado, provocando un cortocircuito local.

Analizando las razones de la recuperación del voltaje, cuando el calor local en el sitio de acupuntura es demasiado alto, el colector de corriente, el diafragma y el área local del punto de punción pueden derretirse, cortando así el paso de la corriente e impidiendo una mayor descarga de la batería de litio. El hecho de que el diafragma y el colector de corriente se fundan juntos determina si se puede restablecer la caída de tensión.

La temperatura máxima de la superficie de la batería aumenta con el incremento de la profundidad de penetración. Cuando la profundidad de la aguja es de 10 mm y 11 mm, la temperatura de la superficie de la batería no es elevada, el grado de reacción química en el interior de la batería no es grave y no se emite humo blanco ni gas irritante, lo que indica que no se ha producido embalamiento térmico. Cuando se perforó la batería de litio con 10 mm, no se produjo ningún cortocircuito y la temperatura se mantuvo en torno a los 25 ℃.

Cuando la profundidad de la aguja es de 11 mm, se desencadena un cortocircuito local en el interior de la batería, que consume una pequeña cantidad de energía y provoca un calentamiento relativamente lento.

Cuando la aguja de acero penetró a profundidades de 12 mm, 13 mm y 16 mm, la batería experimentó un desbocamiento térmico, emitiendo gas irritante y humo blanco desde el lugar de punción, y se produjo una fuga del electrolito. Tras perforar la carcasa, la temperatura aumenta bruscamente y alcanza rápidamente su punto máximo, con una temperatura superficial máxima de la batería superior a 90 ℃.

En resumen, puede concluirse que existe una profundidad crítica desde el cortocircuito local hasta el cortocircuito interno de toda la batería de litio cuando la aguja de acero penetra en la batería. La profundidad crítica de la batería de litio utilizada en este trabajo es de unos 11 mm. Cuando la profundidad de punción es inferior a la profundidad crítica, la batería de litio no experimenta un desbordamiento térmico y la temperatura superficial de la batería aumenta lentamente. Cuando la profundidad de perforación supera la profundidad crítica, la batería experimentará un desbordamiento térmico y la temperatura superficial de la batería aumentará bruscamente.

2.4 Diferentes posiciones de punción

Para el experimento se seleccionaron tres posiciones diferentes

Las diferentes posiciones de carga tienen un impacto significativo en la capacidad de carga de la batería. Cuanto más cerca esté de los terminales positivo y negativo de la batería, mayor será la capacidad de carga última y mayor la pendiente ascendente, y viceversa. Existe una clara regularidad en la influencia de la posición de punción de la aguja sobre la carga última de la batería. Cuanto más cerca esté la posición de punción de la aguja del centro axial de la batería, menor será la carga de rotura, y viceversa, mayor será la carga de rotura.

El cortocircuito se produce primero cerca del electrodo positivo y más tarde en la posición central. La tensión cerca de los polos positivo y negativo no cayó bruscamente a 0 V después de una caída brusca, sino que repuntó a tensiones más altas de 1,84 V y 1,1 V, y después empezó a fluctuar gradualmente hasta 0 V. Esto se debe a que las posiciones A y E están muy cerca del extremo del núcleo de la batería, y hay un hueco entre el extremo del núcleo de la batería de litio y la carcasa exterior. Durante la carga continua, se producirá un deslizamiento limitado y una concentración de tensiones, lo que dará lugar a una inestabilidad temporal de la tensión.

Con la misma cantidad de deformación, la tensión local en la posición del borde será mayor, lo que provocará un fallo más fácil del diafragma y la aparición más temprana de cortocircuitos internos. Del mismo modo, bajo la misma cantidad de deformación, cuando la posición de punción de la aguja está cerca del centro de la batería, la deformación local será menor, por lo que el cortocircuito interno se producirá más tarde.

En todas las pruebas se produjo un desbordamiento térmico (una gran cantidad de electrolito salió del lugar de punción de la aguja y emitió una gran cantidad de humo blanco), y cuanto más cerca esté el lugar de penetración de los polos positivo y negativo, mayor será el riesgo de desbordamiento térmico. Cuanto más cerca está de los polos positivo y negativo, más rápido se calienta la batería tras un cortocircuito y mayor es la temperatura pico. Entre ellas, las temperaturas pico de la superficie de la batería en las posiciones a 10 mm y 55 mm del electrodo negativo son de 110,3 ℃ y 104,8 ℃, respectivamente, y la temperatura pico en la posición a 30 mm del electrodo negativo es de 94,9 ℃. En resumen, la posición del borde de la batería de litio seleccionada en este trabajo es más propensa al desbocamiento térmico.

3 Conclusión

En la prueba se utilizó la cámara de prueba de penetración de clavos DGBELL. Se realizaron una serie de experimentos con una sola batería de iones de litio 18650, incluyendo el SOC, la velocidad de perforación de la aguja, la profundidad y la posición. Se analizó la influencia de los distintos parámetros en el rendimiento de seguridad de las baterías de litio utilizando los datos relacionados con la fuerza eléctrica y el calor de las baterías, y se extrajeron las siguientes conclusiones.

(1) La carga límite de las baterías de litio no es simplemente una relación del aumento del SOC. Cuando el SOC está entre el 20% y el 60%, la carga límite aumenta con el aumento del SOC; cuando el SOC está entre el 80% y el 100%, también aumenta con el aumento del SOC, y la carga límite media máxima es de 1,66 kN, que es un 20% superior a la carga límite media del 20% de SOC.

Cuanto mayor sea el SOC, más intensa será la reacción durante el proceso de acupuntura y mayor será el riesgo de desbocamiento térmico. Para diferentes velocidades de punción, la tasa de aumento y disminución de la temperatura en la superficie de la pila es coherente, con una temperatura máxima de alrededor de 95 ℃, y no existe una correlación significativa entre la velocidad de punción y si se produce desbocamiento térmico.

(2) Durante el proceso de punción, existe una profundidad crítica desde el cortocircuito local hasta el cortocircuito en toda la batería de litio. La profundidad crítica de la batería de litio seleccionada para el experimento es de unos 11 mm, que puede utilizarse como umbral para el diseño de una alerta temprana que alerte a los usuarios.

Las diferentes posiciones tienen un impacto significativo en la fuerza, la electricidad y el calor de las baterías de litio. Cuando la posición de inserción de la aguja está cerca de los electrodos positivo y negativo, la carga final y la temperatura pico son superiores a las de la posición intermedia. Las temperaturas máximas son de 104,8 ℃ y 110,3 ℃, respectivamente. Cuando las baterías de litio están sometidas a colisiones de fuerzas externas cerca de los electrodos positivo y negativo, su rendimiento de seguridad disminuye, haciéndolas más propensas a accidentes de seguridad como el desbordamiento térmico.