Analyse zum Sicherheitstest der Lithium-Ionen-Batterie

Analyse zum Sicherheitstest der Lithium-Ionen-Batterie

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hat für uns Priorität, insbesondere in den Bereichen, die die Sicherheit unseres Lebens und unseres Eigentums betreffen, wie beispielsweise bei Personenkraftwagen. Um die Sicherheit des Lithium-Ionen-Akkus zu gewährleisten, haben die Menschen eine Vielzahl von Sicherheitstests entwickelt, um die Sicherheit des Lithium-Ionen-Akkus im Missbrauchsfall zu gewährleisten. Aus der Perspektive der Optimierung des Batteriestrukturdesigns ist daher das Bestehen dieser Reihe von Sicherheitstests ein neues Problem, das wir berücksichtigen müssen.

Angesichts der Sicherheitsrisiken, denen Lithium-Ionen-Akkus im praktischen Einsatz ausgesetzt sein können, haben wir Sicherheitstests wie Extrusion, Akupunktur, Kurzschluss, Überladung und Entladung, hohe und niedrige Temperatur entwickelt. Unter vielen Sicherheitstests sind Extrusions-, Akupunktur- und externe Kurzschlusstests, die interne und externe Kurzschlüsse von Lithium-Ionen-Batterien simulieren, die konventionellsten und am schwierigsten zu bestehen. Der Hauptgrund ist, dass der Momentanstrom bei den beiden Sicherheitstests zu groß ist. Aufgrund der ohmschen Impedanz und anderer Faktoren wird in der Lithium-Ionen-Batterie für eine gewisse Zeit eine große Wärmemenge erzeugt. Durch die Struktur der Lithium-Ionen-Batterie begrenzt, kann diese Wärme nicht schnell nach außen der Batterie diffundieren, was zu einer hohen Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie führt.

Nimmt man die in Elektrofahrzeugen häufig verwendete quadratische Batterie als Beispiel, ist die Diffusionsgeschwindigkeit der in jedem Teil der Batterie erzeugten Wärme aufgrund des strukturellen Designs unterschiedlich, so dass ein offensichtlicher Temperaturgradient in der Ebenenrichtung und in der Dickenrichtung von die Batterie. Insbesondere bei hohem Strom kann die in der Batterie, insbesondere in der Mitte der Zelle, erzeugte Wärme nicht gut abgeleitet werden, daher steigt die Temperatur im Inneren der Zelle stark an, was zu Sicherheitsproblemen führt.

Extrusionstest

Beim Extrusionstest werden mit zunehmendem Verformungsgrad der Batterie zuerst die positiven und negativen Stromkollektoren zerrissen, rutschen entlang der 45-Grad-Versagenslinie und das aktive Material wird ebenfalls beschädigt. Es tritt in die 45 ein Grad Ausfalllinie. Mit der kontinuierlichen Zunahme der Membranverformung erreicht die Membran schließlich den Versagenspunkt, was das Auftreten von positiven und negativen Kurzschlüssen verursacht. Der durch Extrusion verursachte positive und negative Kurzschluss ist hauptsächlich ein Punktkurzschluss. Daher wird am Kurzschlusspunkt ein sehr großer Strom erzeugt und die Wärme wird intensiv abgegeben, wodurch die Temperatur am Kurzschlusspunkt stark ansteigt. Daher ist es leicht, eine außer Kontrolle geratene Erwärmung zu verursachen.

Nagelpenetrationstest

Das Nagelpenetrationsexperiment ist auch eine Methode, die verwendet wird, um den internen Kurzschluss von Lithium-Ionen-Batterien zu simulieren. Sein Grundprinzip besteht darin, mit einer Metallnadel mit einer bestimmten Geschwindigkeit langsam in das Innere des Lithium-Ionen-Akkus einzustechen, was zum internen Kurzschluss des Lithium-Ionen-Akkus führt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Leistung der gesamten Lithium-Ionen-Batterie durch den Kurzschlusspunkt freigesetzt. Einschlägige Studien zeigen, dass beim Auftreten des internen Kurzschlusses innerhalb von 60s maximal etwa 70 % der Energie über den Kurzschlusspunkt freigesetzt werden und dieser Teil der Wärme schließlich in Wärmeenergie umgewandelt wird. Da die erzeugte Wärme nicht zeitlich verteilt werden kann, kann die Momentantemperatur des Kurzschlusspunktes mehr als 1000 erreichen, was zu einer unkontrollierten Erwärmung führt.

Externer Kurzschlusstest

Im Vergleich zu den obigen Extrusions- und Akupunkturexperimenten ist der externe Kurzschlusstest relativ mild. Der externe Kurzschlusstest besteht darin, den Lithium-Ionen-Akku mit einem festen Widerstand zu verbinden, und die Leistung des Lithium-Ionen-Akkus wird über den Widerstand freigesetzt. Der Kurzschlussstrom kann gemäß dem festen Widerstand von mehreren zehn Ampere bis zu mehreren hundert Ampere oder sogar Tausenden von Ampere gesteuert werden. Aufgrund des großen Stroms sammelt sich in kurzer Zeit eine große Wärmemenge in der Lithium-Ionen-Batterie an, die zum thermischen Durchgehen der Lithium-Ionen-Batterie führen kann.

Ob die Kurzschlussprüfung bestanden werden kann, wird hauptsächlich durch den Kurzschlussstrom beeinflusst. Je größer der Kurzschlussstrom ist, desto schneller ist die Wärmeerzeugungsrate der Lithium-Ionen-Batterie, und die Wärmediffusionsrate der Lithium-Ionen-Batterie ändert sich nicht wesentlich. Dies bedeutet, dass sich in der Lithium-Ionen-Batterie mehr Wärme ansammelt und die Temperatur stärker ansteigt, was zur Kontraktion des Diaphragmas führen kann Litium-Ionen-Batterie.

Der Hauptfaktor, der den Kurzschlussstrom des Lithium-Ionen-Akkus beeinflusst, ist der Widerstandswert des Kurzschlusswiderstands, gefolgt von Faktoren wie dem Innenwiderstand und dem Ladezustand des Lithium-Ionen-Akkus. Forscher in den Niederlanden fanden heraus, dass die Stromänderung während des Kurzschlussprozesses einer Lithium-Ionen-Batterie hauptsächlich in die folgenden Teile unterteilt ist und der Entladestrom der Batterie von Bereich 1 274 c erreichen kann. Dieser Teil wird hauptsächlich durch die Entladung von elektrische Doppelschicht und Diffusionsschicht der Lithium-Ionen-Batterie. Im Bereich 2 kann die Entladerate des Lithium-Ionen-Akkus 50-60c erreichen. Der wichtigste limitierende Faktor dieses Stromanteils ist die Materialdiffusion. Aufgrund des Wärmestaus kann es in diesem Bereich zu einem thermischen Durchgehen der Batterie kommen. Im Bereich 3,

Ihre Forschung ergab auch, dass der Hauptfaktor, der die Kurzschlusstestergebnisse beeinflusst, das Verhältnis des Kurzschlusswiderstands zum Innenwiderstand des Lithium-Ionen-Akkus ist, der noch größer ist als der Innenwiderstand des Lithium-Ionen-Akkus und der Ladezustand der Batterie. Es ist ersichtlich, dass die Lithium-Ionen-Batterie umso anfälliger für thermisches Durchgehen ist, je näher der Widerstandswert des Kurzschlusswiderstandes an der Lithium-Ionen-Batterie liegt. Die Lithium-Ionen-Batterie kann den Kurzschluss-Sicherheitstest nur bestehen, wenn der Widerstandswert des Kurzschlusswiderstands mehr als das 9-12-fache des Innenwiderstands der Lithium-Ionen-Batterie beträgt. Tatsächlich ist es nicht schwer zu verstehen, dass bei der Kurzschlussentladung die Wärme wird hauptsächlich durch den Kurzschlusswiderstand des externen Stromkreises und den Innenwiderstand der Batterie erzeugt. Nach der Jouleschen Wärmeformel P = I2R ist die Heizleistung bei gleichem Strom direkt proportional zum Widerstandsbereich. Wenn die Batterieenergie sicher ist, erzeugt das Teil mit dem großen Widerstand natürlich mehr Wärme.

Aus der obigen Analyse ist nicht schwer zu erkennen, dass die Faktoren, die die Sicherheitstestergebnisse von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, hauptsächlich die Wärmeerzeugungsrate und die Wärmeableitungsrate im Wesentlichen sind. Die Reduzierung der Wärmeentwicklung während des Sicherheitstestprozesses durch Sicherheitsschutzdesign oder das Abschneiden des Stroms und gegebenenfalls die Verhinderung der kontinuierlichen Wärmeentwicklung kann das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien effektiv verhindern. Die zweite besteht darin, die Wärmeableitungsrate der Lithium-Ionen-Batterie zu verbessern. Durch die Verbesserung der Wärmeableitungsrate durch das strukturelle Design der Lithium-Ionen-Batterie kann die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie effektiv vermieden werden.