Warum müssen wir den Nagelpenetrationstest durchführen?

Warum müssen wir den Nagelpenetrationstest durchführen?

Der Nail Penetration Test, ein internes Kurzschluss-Testverfahren, ist ein Sicherheitstest, der die interne Kurzschlusstoleranz von Lithium-Ionen-Batterien prüft.

Der Nadeleinstichtest ist ein Test, bei dem ein Stahlnagel durch die Batterie gesteckt wird, um einen internen Kurzschluss zu simulieren und zu bestätigen, ob die Batterie raucht, Feuer fängt oder bricht. Darüber hinaus ist der Nadeleinstichtest nicht nur ein Test, um die Sicherheit der Batterie zu bestätigen, sondern auch ein Test, um die grundlegende Natur der Batterie zu verstehen.

Im Normalzustand sind die positiven und negativen Elektrodenblätter einer Lithium-Ionen-Batterie durch eine Polymer-Isolierfolie - das Diaphragma - im organischen Elektrolyten isoliert. In diesem Zustand wird ein Stahlnagel in die Lithium-Ionen-Batterie eingeführt, um einen Kurzschluss zwischen der positiven und negativen Elektrodenplatte zu erzeugen und so einen internen Kurzschlusstest zu erzwingen. Die Testmethode zeichnet sich durch die Möglichkeit aus, die Testbedingungen wie Durchmesser, Material, Einführtiefe, Einführposition und Einführgeschwindigkeit des in die Batterie eingeführten Stahlnagels anzupassen.

Die Gefahren der Nageleindringung

Die Notwendigkeit, Lithium-Ionen-Batterien mit einem Nadeleinstich zu testen, bedeutet, dass sie extrem anfällig für interne Kurzschlüsse sind und sich in einem sehr gefährlichen Zustand befinden, wenn ein Kurzschluss auftritt. Lithium-Ionen-Batterien haben die Eigenschaften einer hohen Energiedichte, eines niedrigen Innenwiderstands und eines hohen zulässigen Durchgangsstroms, was sie sehr gefährlich macht. Im Allgemeinen tritt ein interner Kurzschluss während der Verwendung des Akkus auf, weil der Herstellungsprozess mit leitenden Fremdstoffen vermischt wurde oder durch externe Stöße oder Belastungen.

In der Realität ist es nach der Herstellung des Produkts schwierig, Maßnahmen für interne Kurzschlüsse im Steuersystem, einschließlich des Ladens und Entladens der Batterie, und in den Schaltkreisen zu ergreifen. Wenn ein interner Kurzschluss auftritt, fließt in der Batterie ein enormer Kurzschlussstrom, der in der Folge Joule-Wärme erzeugt, die wiederum dazu führt, dass der brennbare organische Elektrolyt reagiert und Hochtemperaturgase erzeugt, was die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens erhöht.

Wenn thermisches Durchgehen auftritt, kommt es zu Rauch und Feuer. In schweren Fällen kommt es zum Bruch, wodurch die persönliche Sicherheit des Anwenders gefährdet wird. Aus Sicht des Benutzers ist es wichtig, die Sicherheit der Batterie für die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten. Beim Pinprick-Test werden Stahlnägel in die Batterie eingeführt, um auf relativ einfache Weise einen internen Kurzschluss zwischen der positiven und negativen Elektrode zu erzeugen. Wenn der Nagel jedoch in die Batterie eingeführt wird, um eine Perforation auf der Oberfläche der Batterie zu bilden, wird dieses Loch Gas mit hoher Temperatur freisetzen, was zu einer Änderung des internen Wärmeableitungszustands der Batterie führt, und es kann zu Abweichungen von der tatsächlichen internen Kurzschlusssituation kommen.

Kurzschlusstest ohne Bildung von Perforationen und ohne Gasaustritt

Er wird als Blunt-Nail-Test (BNT) bezeichnet. Bei dieser Methode wird durch den Druck des Nagels ein Kurzschluss zwischen den Elektrodenmaterialien (positives und negatives Elektrodenblech) der Batterie erzeugt, und die Batterie ist nach dem Test nur leicht verformt. Im Vergleich zum üblichen Nadelstichtest kann mit dieser Methode ein Zustand erzeugt werden, der dem tatsächlichen internen Kurzschluss näher kommt.

Vorbereitung des Versuchsaufbaus

Um diesen Test durchzuführen, ist das manuelle Eintreiben eines Nagels in eine Lithium-Ionen-Batterie definitiv keine Option und sollte nicht auf die leichte Schulter genommen werden - der Nagel könnte herausfliegen und Verletzungen an Händen und Körper verursachen. Daher ist es notwendig, eine Pinning-Testmaschine zu bauen. Unter Verwendung einer handelsüblichen Tisch-Handpresse (Hydraulikpumpe wird separat benötigt, maximaler Druck 4000kg, Hub 120mm, Hubverlängerung 250mm lang) wurde ein Nageldurchdringungsprüfgerät gebaut, das für 3 Durchmesser von Stahlnägeln geeignet ist (φ3mm, φ5mm, φ8mm, 100mm lang). Oder Sie können das Nageldurchdringungsprüfgerät von DGBELL direkt kaufen, und das Nageldurchdringungsprüfgerät von DGBELL kann nach Ihren Anforderungen hergestellt werden.

Sicherheitsmaßnahmen

Im Hinblick auf die Sicherheit sollten Sie sicherstellen, dass das Prüfgerät aus einer gewissen Entfernung bedient werden kann, die Hydraulikpumpe an einer anderen Stelle installieren und eine Nageleinführvorrichtung am Kopf der Hubverlängerungsstange anbringen, um Nägel unterschiedlicher Größe zu fixieren. Führen Sie den Nagel in die Vorrichtung ein, stellen Sie die Position ein und verwenden Sie dann den Bolzen, um ihn zu fixieren. Die Geschwindigkeit der Nageleinbringung, nach mehreren manuellen hydraulischen Tests, haben wir durch Messung des Hubs und der Bewegungszeit das Ergebnis von etwa 0,7 mm/s erhalten.

Test-Zusammenfassung

Die positiven und negativen Batteriepole wurden über eine Beobachtungssonde an ein Oszilloskop angeschlossen, um die Spannungswellenform zu beobachten. Die Wellenform wurde mit einem Allzweck-Speicherschreiber (Modell Nikkei Electric 8855) beobachtet, und die Beobachtungssonde wurde an die im Speicherschreiber installierte Spannungs- und Stromeinheit (8951) angeschlossen.

Verwandte Hinweise

Hier testen wir drei verschiedene Typen von gestapelten Batterien (300mA-h, 1000mA-h, 2000mA-h). Die zu messenden Daten sind wie folgt.

- Änderung der Batterieklemmenspannung über die Zeit

- Temperatur der Zellenoberfläche, dargestellt durch Wärmebildaufnahmen

- Veränderungen des Aussehens und der Form der Batterie nach der Vernadelung (mit bloßem Auge bestätigt) Bereiten Sie vor der Durchführung des Experiments sorgfältig Brandschutz- und Sicherheitsmaßnahmen vor: verhindern Sie Spritzer, schatten Sie den Bereich um die Testmaschine ab, stellen Sie einen Feuerlöscher in der Nähe auf usw.

Messung der Spannungswellenform

Verwenden Sie bei Batterien mit unterschiedlichen Kapazitäten Stahlnägel mit unterschiedlichen Durchmessern für den Nageleinstichtest. Die Änderung der Klemmenspannung über die Zeit wurde nach dem Nageleinstichtest einer 2000mA-h-Laminatbatterie mit einem φ5mm Stahlnagel gemessen.

Unterschiede durch die Benadelungsbedingungen

Unter Einbeziehung der obigen Testergebnisse sind aufgrund der Ergebnisse mehrerer Experimente die folgenden Fakten bekannt.

(1) Am Punkt der Benadelung fällt die Klemmenspannung stark ab und sinkt allmählich auf 0V, und die Spannungskurve schwankt stark, wenn die Spannung auf einen bestimmten Wert fällt.

(2) Die Testergebnisse verschiedener Batterietypen und Benadelungsbedingungen variieren während der Phase vom Punkt der Benadelung bis zur großen Änderung der Klemmenspannung, aber die Klemmenspannung fällt nach 10 bis 20s auf 0V.

(3) Für die gleiche Kapazitätsbatterie gilt, je dicker die Benadelung ist, desto größer ist die Änderung der Klemmenspannung bei der Durchführung des Tests. Messung der Oberflächentemperatur der Batterie Nach dem Pinning kann die Änderung der Oberflächentemperatur der laminierten Batterie mit der Zeit durch Infrarot-Thermografie gemessen werden. Die Änderung der Oberflächentemperatur wird gemessen, wenn die 2000-mA-h-Laminatbatterie mit einem Stahlnagel von φ5 mm punktiert wird.

Temperaturanstieg nach der Benadelung Die Temperatur überschritt 200°C während des Benadelungstests einer 2000mA-h-Stapelzelle mit einem φ5mm Stahlnagel. Beim Test an der 1000mA-h-Batterieprobe kam es zu einem Brand, wenn ein φ3mm-Nagel verwendet wurde. Beim Nadelstichtest mit einem φ5mm-Nagel wurde der Brand beobachtet und die Batterietemperatur stieg deutlich an. Außerdem lag die maximal gemessene Temperatur bei verschiedenen Zellen unter 100°C.

Obwohl der Tester kein kommerzielles Niveau hat und nur zu Versuchszwecken verwendet werden kann, ist es möglich, mit diesem Tester Nadelstichtests an Batterien durchzuführen. Es ist auch möglich, einen Allzweck-Speicherschreiber, ein digitales Oszilloskop und eine Infrarot-Wärmebildkamera zu verwenden, um die Spannung und Temperatur der Batteriepole nach dem Nadeln zu messen. Bei diesem Test wird durch Kurzschließen des Plus- und Minuspols die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie sofort umgewandelt.