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Sicherheitstest für Lithiumbatterien

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Sicherheitstest für Lithiumbatterien

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Lithium-Ionen-Akkus haben die Vorteile einer hohen spezifischen Energie, einer hohen spezifischen Leistung, einer hohen Spannungsplattform, einer geringen Selbstentladung, einer langen Lebensdauer, einer geringen Umweltbelastung und eines fehlenden Memory-Effekts. Sie finden breite Anwendung in Mobiltelefonen, Computern, Elektrofahrzeugen, im Militär, in der Raumfahrttechnik und anderen verwandten Bereichen. Lithium-Ionen-Batterien bergen jedoch einige potenzielle Sicherheitsrisiken, obwohl sie der Menschheit Vorteile bringen. Zum Beispiel können Lithium-Ionen-Batterien unter Missbrauchsbedingungen (wie Überladung, Überentladung, Kurzschluss, Extrusion, Akupunktur, hohe Temperatur usw.) Feuer, Explosionen und andere Gefahren verursachen.

In den letzten Jahren kam es immer wieder zu Unfällen im Zusammenhang mit der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, was eine große Gefahr für die Sicherheit von Personen und Sachen darstellt. Die Sicherheitsleistung von Lithiumbatterien ist immer noch ein dringend zu lösendes Problem. Aus der Perspektive der Lithiumbatterie selbst ist sie der Energieträger, der unsichere Faktoren aufweist. Unterschiedliche Kapazitätsproduktionsprozesse und eine standardisierte Verwendungsmethode wirken sich stark auf die Sicherheitsleistung der Batterie aus.

Gegenwärtig gibt es viele Untersuchungen über den Einfluss von positiven und negativen Elektrodenmaterialien, Elektrolyt, Diaphragma und anderen Faktoren auf die Sicherheitsleistung von Lithiumbatterien im In- und Ausland, aber es gibt nur wenige Untersuchungen über den Einfluss der Zellstruktur und des Batteriehüllenmaterials auf die Sicherheitsleistung von Lithiumbatterien. In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Zellstruktur und des Batteriemantelmaterials auf die Sicherheitsleistung von Lithiumbatterien eingehend untersucht.

Die drei Arten von Batterien, die in diesem Experiment verwendet wurden, sind Stahlmantel-Batterien des Typs 18650, gewickelte Softpack-Batterien und laminierte Softpack-Batterien mit einer Kapazität von 2 Ah. Der Unterschied besteht darin, dass die Zellstruktur der Batterie und die Struktur des Verpackungsmaterials in einen gewickelten und einen laminierten Typ unterteilt sind. Die Zellen der Stahlgehäusebatterie und der gewickelten flexiblen Batterie haben eine gewickelte Struktur, und die Zellen der laminierten flexiblen Batterie haben eine laminierte Struktur. Zu den Materialien gehören Aluminium-Kunststoff-Verbundfolie und vernickelter Stahl.

Test der Sicherheitsleistung

In dieser Studie wurden drei Tests (externer Kurzschluss, Akupunktur und Überladung) durchgeführt, um die Sicherheitsleistung der Batterie zu charakterisieren. Die drei oben genannten Sicherheitstests wurden in Übereinstimmung mit dem internationalen Standard durchgeführt. Unter Raumtemperaturbedingungen wird der Nageldurchdringungstest mit der Nagelpenetrationsprüfkammer durchgeführt. Die Überladungsleistung wird in der Prüfkammer getestet.

Externer Kurzschlusstest

Die Testergebnisse zeigen, dass die Temperatur der laminierten flexiblen Batterie, der gewickelten flexiblen Batterie und der 18650 Stahlschalenbatterie in kurzer Zeit rapide ansteigt, wenn ein externer Kurzschluss auftritt, und die Höchsttemperatur 64, 82 bzw. 102 ℃ beträgt. Aufgrund des Schutzes der Trockenmembran zeigen die beiden Pole der Batterie trotz eines externen Kurzschlusses noch eine gewisse Frühspannung. Wenn die Batteriespannung auf Null ansteigt, erreichen die Oberflächentemperaturen der drei Batterietypen jeweils ihre Höchsttemperaturen. Wenn der Kurzschlussstrom auf Null sinkt, hört die Entladung der Batterie auf und die Oberflächentemperatur der Batterie sinkt allmählich auf Raumtemperatur. Nach einem Kurzschluss der drei Batterietypen kommt es weder zu einem Brand noch zu einer Explosion.

Das Sicherheitsventil der Stahlmantel-Batterie wird geöffnet und es tritt Flüssigkeit aus. Bei den beiden anderen Batterietypen wird kein offensichtliches Phänomen festgestellt. Der Grund für das oben beschriebene Phänomen ist, dass in dem Moment, in dem der Kupferdraht angeschlossen wird, die positiven und negativen Elektroden der Batterie durch den Kupferdraht einen geschlossenen Stromkreis bilden, die Spannung schnell abfällt, der Strom sofort ansteigt und der Kurzschlussstrom mehr als 60 A erreichen kann. Die Oberflächentemperatur der Batterie steigt schnell an.

Aus dem Kurzschlussexperiment lässt sich schließen, dass der Temperaturanstieg bei den drei Batterietypen unterschiedlich ist. Der maximale Temperaturanstieg ist bei der Stahlmantel-Batterie am geringsten. Zusätzlich zu den extremen Bedingungen wie Feuer und Explosion als Beurteilungskriterien ist die Änderung der Oberflächentemperatur des Mondbeckens auch ein intuitiver Indikator für die experimentellen Ergebnisse, der die Vor- und Nachteile des Kurzschlusstests charakterisieren kann. Je höher die Temperatur der Batterie ist, desto schlechter ist ihre Sicherheitsleistung. Die obigen Ergebnisse zeigen, dass die Batteriesicherheit der drei Produktionsverfahren von hoch bis niedrig ist, nämlich laminierte flexible Batterie, gewickelte flexible Batterie und 18650 Stahlschalenbatterie.

Nageldurchdringungstest

Aus dem Test geht hervor, dass die Temperatur der gewickelten flexiblen Batterie und der 18650 Stahlmantel-Batterie in kurzer Zeit auf 190 ℃ bzw. 239 ℃ ansteigt und die Stahlmantel-Batterie Feuer fängt und brennt; aus der gewickelten flexiblen Batterie wurde eine große Menge Rauch ausgestoßen, aber es gab kein Feuer. Dann sinkt die Oberflächentemperatur der Batterie allmählich. Allerdings hat die laminierte flexible Batterie nicht rauchen oder brennen, und die maximale Temperatur war nur 82 ℃.

Der Mechanismus der oben beschriebenen Reaktion besteht darin, dass nach dem Durchstechen der Batterie die Stahlnadel und die Plus- und Minuspole der Batterie einen geschlossenen Stromkreis bilden und sofort ein interner Kurzschluss auftritt. Die Spannung an beiden Enden der Batterie sinkt schnell auf Null, und der Strom steigt stark an, wodurch eine enorme Hitze entsteht. Die Oberflächentemperatur steigt rasch an, was zu einer weiteren Ausdehnung der schmelzenden Kurzschlussfläche der Membran führt und einen Teufelskreis auslöst.

Der Unterschied zwischen den Ergebnissen der gewickelten flexiblen Batterie und der 18650 Stahlschalenbatterie liegt in den unterschiedlichen Verpackungsmaterialien. Erstere verwendet Aluminium-Kunststofffolie für die Verpackung und letztere verwendet vernickelten Stahl für die Verpackung. Der Grund, warum der Berstdruck der ersteren viel niedriger ist als der der letzteren, liegt darin, dass die Aluminium-Kunststoffverbundfolie der weich verpackten Lithium-Ionen-Batterie eine gewisse Dehnbarkeit und eine geringe mechanische Festigkeit aufweist. Im Falle eines internen Kurzschlusses kann sich die Batterie leicht ausbeulen und entladen, was das Explosionsrisiko verringert. Die Stahlmantel-Batterie ist eine geschlossene Struktur, die im Falle einer Explosion eine große Sprengkraft erzeugt.

Der Unterschied zwischen den Ergebnissen der gewickelten flexiblen Batterie und der laminierten flexiblen Batterie liegt in der unterschiedlichen Struktur ihrer Zellen. Die gewickelte Zelle besteht aus einer positiven Platte, einer negativen Platte und zwei Membranen, die von der Wickelmaschine gewickelt werden, um einen Innenwiderstand von etwa 50 m Ω zu bilden. Die Zellen der laminierten flexiblen Batterie werden abwechselnd mit den positiven und negativen Elektrodenplatten und der Membran gestapelt, wobei die Membran Z-förmig ist. Die laminierte Batterie entspricht mehreren parallel geschalteten Batterien mit einem Innenwiderstand von etwa 10 mΩ.

Da die Anzahl der durchlöcherten Schichten des gewickelten elektrischen Kerns größer ist als die des laminierten elektrischen Kerns, ist die Kontaktfläche des Kurzschlusses größer und die erzeugte Wärme höher. Daher ist die Oberflächentemperatur der gewickelten flexiblen Batterie 108 ℃ höher als die der laminierten flexiblen Batterie. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die laminierte flexible Batterie die höchste Sicherheitsleistung aufweist.

Schlussfolgerung

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Stahlgehäusebatterie des Typs 18650 bei dem Akupunkturversuch ernsthafte Entzündungs- und Verbrennungserscheinungen aufweist. Während des 3 C,5 V Überladungstests kommt es bei der gewickelten flexiblen Batterie zu Ausbeulungen, Entzündungen und Verbrennungen, während bei der laminierten flexiblen Batterie nur Ausbeulungen auftreten. Die Stahlgehäusebatterie weist aufgrund des Schutzes ihres eigenen Sicherheitsventils kein offensichtliches Sicherheitsrisiko auf. Daher sind die Zellstruktur und das Material der Batteriehülle wichtige Faktoren, die die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen.