Pruebas parciales sobre la seguridad de las pilas de litio-Parte 1

Pruebas parciales sobre la seguridad de las pilas de litio-Parte 1

Desde la producción en masa de la batería de litio, ésta ha liderado rápidamente la tendencia en el campo de las baterías gracias a sus excelentes prestaciones, como su alto coeficiente energético, su larga vida útil y el alto voltaje de sus electrodos. Tiene una ventaja absoluta en telefonía móvil, informática y otras industrias, y se ha convertido en uno de los temas de investigación importantes de los vehículos de nueva energía. Para satisfacer los requisitos del mercado de alta energía de almacenamiento, las empresas aumentan la investigación y el desarrollo de energía específica de una sola batería. Aunque puede mejorar el tiempo de espera de los teléfonos móviles, también hace que la densidad de energía volumétrica de una sola batería sea cada vez mayor, y sus problemas de seguridad son cada vez más prominentes. El principal factor restrictivo para la promoción comercial de las baterías de alta capacidad y de iones de litio es la seguridad, y existen muchos peligros potenciales para la seguridad. Para analizar y resolver estos problemas, se han propuesto varias normas de seguridad internacionales, como IEC62133, UL1642, IEEE1625, etc. También se ha introducido en China la norma recomendada GB / T18287-2000. Al mismo tiempo, para garantizar la seguridad de las baterías de litio en la aviación, el transporte de larga distancia y el uso de equipos, se han introducido las normas UN38.3, GB4943, etc. Sin embargo, en los últimos años, con la utilización a gran escala del mercado y el aumento de la capacidad propia de la batería, ha aumentado enormemente la probabilidad de que se produzcan problemas graves como incendios y explosiones de baterías de litio en condiciones de abuso (como sobrecarga y sobredescarga por calentamiento, cortocircuito, vibración, extrusión, etc.). Las lesiones por explosión resultantes o la retirada de productos debido a los riesgos de seguridad a menudo causan efectos fatales en las empresas Varias empresas están invirtiendo en el desarrollo de nuevas tecnologías de prevención de la seguridad de las baterías de litio, mientras que la simulación de posibles problemas para llevar a cabo métodos de detección más coincidentes, tales como la prueba de cortocircuito interno obligatorio JISC8714 de Japón IEC límite superior e inferior de la prueba de temperatura significa la prueba de acupuntura. Con el fin de satisfacer la demanda del mercado, las normas de seguridad existentes también se han actualizado en China, y revisado a GB/T18287-2013, GB31241-2014; Este artículo explora brevemente algunos de los métodos de detección actuales.

Prueba de penetración de clavos

La prueba de punción es un cortocircuito interno forzado. Bajo la temperatura ambiente de 20 ℃ ± 5 ℃, la batería está completamente cargada con corriente de carga estándar, un termopar se pega cerca del centro de la batería y se coloca en la campana de humos, y una aguja de acero inoxidable de 3 mm de diámetro se utiliza para perforar rápidamente la batería a la velocidad de 20 mm / s. La aguja tiene que penetrar completamente hasta el otro lado de la batería, y luego la aguja de acero permanece inmóvil durante 1 minuto. Observe si la batería tiene fuego y explosión, y detecte los datos de cambio de temperatura de la batería al mismo tiempo. La norma de aprobación del experimento es que la pila no se incendie ni explote. Debido a que este tipo de prueba no es fácil de pasar, hay una disputa sobre el problema de la simulación del escenario, y la prueba no aparece en la norma nacional GB / T18287. QC / T743-2006 tiene una prueba de aguja: utilizar una aguja de acero resistente a altas temperaturas de ø 3mm ~ ø 8mm para penetrar desde la dirección perpendicular a la placa de la batería (la aguja de acero permanece en la batería). La batería no debe explotar ni incendiarse.

La prueba de penetración de la aguja simula el problema de seguridad después de que objetos extraños, especialmente sustancias punzantes metálicas, apuñalen la superficie de la batería. En este momento, la película de aislamiento de la batería se perfora, y los electrodos positivo y negativo de la batería se cortocircuitan instantáneamente. La corriente de cortocircuito puede producir mucho calor instantáneamente. La acupuntura provoca el cortocircuito de la pila en el punto de acupuntura. La propia aguja de acero se convierte en el punto de cortocircuito y genera una gran cantidad de calor para formar una zona de sobrecalentamiento local a lo largo de la batería alrededor de la aguja de acero. Establezca la resistencia de CC de la batería como R, la resistencia de cortocircuito de la zona de cortocircuito como r, la tensión de la batería como U y la potencia de generación de calor en la zona del circuito como Q: Q = U²r / (R + r)². Cuando la temperatura en la zona de sobrecalentamiento local supere el punto crítico, se producirá un calentamiento descontrolado. En la actualidad, el electrolito más utilizado para las baterías industriales de iones de litio es el disolvente mixto de LiPF6 y carbonato de alquilo (incluidos ECPC, decemc, etc.). Los puntos de inflamación de estos disolventes comunes son los siguientes: 160 ℃ (EC) 132 ℃ (PC) 31 ℃ (DEC) 31C (DMC). Al mismo tiempo, el electrolito también enviará reacción de descomposición. La reacción de descomposición tiene lugar entre 170 ℃ y 330 ℃, y la liberación de calor es de aproximadamente 460 J / g, que está relacionada con la sal de litio y el disolvente. Se encuentra en el experimento que la temperatura de la batería general se eleva bruscamente después de que la aguja está en cortocircuito, y puede alcanzar alrededor de 120 ℃ en unos pocos segundos. Debido a que el carbonato de alquilo es muy fácil de quemar, cuando se perfora la cáscara de la batería de iones de litio, el disolvente se escapa y entra en contacto con el oxígeno del aire, es posible que se encienda el disolvente orgánico en la zona sobrecalentada cerca de la aguja de acero, lo que provocará la ignición de la batería o la detonación interna de la batería.

Las baterías de litio están formadas por múltiples electrodos positivos y negativos conectados en paralelo, como se muestra en la figura 1. La punta de la uña primero perfora lentamente la membrana de aislamiento positivo y negativo de la primera capa, en este momento, la corriente de descarga de la primera capa de piezas de electrodos en paralelo es muy grande, y las piezas de electrodos restantes sin cortocircuito se descargan y se calientan a través del primer punto de cortocircuito; Continúa penetrando en la membrana de aislamiento del segundo fragmento de electrodo, y los electrodos restantes que aún no se han cortocircuitado se reducen ligeramente por la corriente de descarga en los dos puntos de cortocircuito actuales; Continuando la perforación, la corriente de cortocircuito continúa descendiendo secuencialmente hasta que penetra completamente en la membrana de aislamiento del fragmento de electrodo paralelo de la batería. En este momento, el punto de cortocircuito se produce entre todos los electrodos, y el cortocircuito continúa produciéndose con una corriente de cortocircuito mínima. Si la velocidad de punción de la aguja es más rápida, como 40mm/s, la corriente de cortocircuito se puede considerar básicamente que todas las piezas de electrodo se calientan bajo la misma corriente de cortocircuito; Si la velocidad es lenta, como 0,1mm/s, cuando perfora en el preelectrodo, la corriente de descarga es grande, el calor instantáneo es más, y se genera la alta temperatura, que puede estimular la reacción de descomposición del electrolito, causando que la batería se queme en el fuego. Si la punta de la aguja acaba de pinchar la superficie de la batería durante el experimento y se detiene, la corriente de cortocircuito es extremadamente grande en este momento, y la posibilidad de incendio es muy grande. Para garantizar la repetibilidad y reproducibilidad de la prueba, es necesario especificar con precisión el equipo utilizado, determinar el diámetro, la dureza, el acabado superficial, la longitud y la conicidad de la punta de la aguja, determinar el número de veces que se reutiliza la aguja y las condiciones de eliminación; Garantizar la penetración de la pila a la misma velocidad en todo momento. La profundidad de penetración de la pila también requiere una especificación uniforme.