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Crush-Test für Lithium-Batterie

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Crush-Test für Lithium-Batterie

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Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen mit neuer Energie erhalten auch die Sicherheitsaspekte von Elektrofahrzeugen immer mehr Aufmerksamkeit. Unter anderem sind die Sicherheitseigenschaften von Lithiumbatterien einer der Schlüsselfaktoren für die Sicherheit von Elektrofahrzeugen. In diesem Artikel werden ternäre Softpack-Lithiumbatterien als Forschungsobjekt verwendet. Durch experimentelle und simulative Untersuchungen werden die Sicherheitseigenschaften von Lithiumbatterien unter verschiedenen Formen von Quetschköpfen, verschiedenen Quetschpositionen und verschiedenen anfänglichen Ladezuständen (SOC) untersucht.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass der plötzliche Temperaturanstieg der Lithiumbatterie umso früher einsetzt, je schärfer und schmaler die Form des Quetschkopfes ist, je größer der plötzliche Temperaturverlust ist und je höher der Anstieg des Innenwiderstands ist. Je näher die Quetschstelle am unteren Rand der Lithiumbatterie liegt, desto wahrscheinlicher ist es, dass der Temperaturanstieg zu einem thermischen Durchgehen führt. Je näher die Quetschstelle am Polohr liegt, desto größer sind der Kapazitätsverlust und der Innenwiderstand. Je höher der SOC von Lithiumbatterien ist, desto wahrscheinlicher ist ein thermisches Durchgehen, ein größerer Spannungsabfall, ein größerer Kapazitätsverlust und ein größerer Innenwiderstand.

Um ein tieferes Verständnis der Sicherheitseigenschaften von Lithiumbatterien unter verschiedenen Bedingungen zu erlangen, wurden in diesem Artikel auch thermische und Belastungssimulationsmodelle für Lithiumbatterien auf der Grundlage der COMSOL-Softwareplattform erstellt und Simulationen der Temperatur- und Belastungsänderungen von Lithiumbatterien unter verschiedenen Quetschbedingungen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Temperatur- und Verformungsmuster von Lithiumbatterien nach der Zerkleinerung gut mit den tatsächlichen Zerkleinerungsversuchen übereinstimmen.

1 Arbeitsprinzip

Wenn eine Lithiumbatterie entladen wird, fließen Elektronen über einen externen Stromkreis von der negativen zur positiven Elektrode, während sich Lithiumionen von der negativen zur positiven Elektrode bewegen. Während dieses Prozesses werden Lithiumionen durch den Elektrolyten übertragen und gelangen durch den Separator zur positiven Elektrode. Dieser Vorgang wird als Lithium-Entfernungsreaktion bezeichnet.

Wenn eine Lithiumbatterie geladen wird, fließen Elektronen über einen externen Stromkreis von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode, während Lithiumionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode wandern. Während dieses Prozesses werden Lithiumionen durch den Elektrolyten übertragen und gelangen durch den Separator zur negativen Elektrode. Dieser Vorgang wird als Lithium-Einlagerungsreaktion bezeichnet.

Das thermische Durchgehen von Lithiumbatterien bezieht sich auf das Phänomen der Überhitzung, Zündung und Explosion, das durch die rasche Änderung der Rate des Temperaturanstiegs der Batterie selbst verursacht wird, die durch die Kettenreaktion der Wärmeabgabe einzelner Zellen entsteht. Dieses Phänomen kann durch interne Kurzschlüsse, Überladung, Quetschungen, hohe Temperaturen und andere Gründe in der Batterie verursacht werden. Wenn die Temperatur der Batterie bis zu einem gewissen Grad ansteigt, beschleunigt sich die interne chemische Reaktionsrate der Batterie und erzeugt eine große Menge an Wärmeenergie, was zu einem raschen Anstieg der Batterietemperatur und schließlich zum thermischen Durchgehen der Batterie führt. Während dieses Prozesses zersetzt sich der Elektrolyt im Inneren der Batterie, die positiven und negativen Elektrodenmaterialien verbrennen und die Batterie fängt Feuer oder explodiert.

Bei der Verwendung von Lithiumbatterien müssen daher Sicherheitsaspekte beachtet und ungünstige Vorgänge wie Überladung, Entladung, Quetschung und hohe Temperaturen vermieden werden, um die Sicherheit und Stabilität der Batterie zu gewährleisten. Gleichzeitig sollte während des Gebrauchs der Zustand der Batterie regelmäßig überprüft werden, und Probleme sollten rechtzeitig erkannt und behoben werden, um Unfälle zu vermeiden.

2 Lithiumbatterie zerdrücken

Zu den bestehenden Forschungsobjekten gehören hauptsächlich Lithium-Eisenphosphat-Batterien mit quadratischem Gehäuse und zylindrische Lithiumbatterien 18650. Es gibt zwei Hauptforschungsmethoden: die experimentelle Forschung und die simulierte direkte Forschung. In der experimentellen Forschung gibt es drei hauptsächliche mechanische Belastungsmethoden für zylindrische Lithiumbatterien: die Drei-Punkt-Biegemethode, die axiale radiale Quetschungsmethode und die lokale Quetschungsmethode; die hauptsächlichen mechanischen Belastungsmethoden für quadratische Lithiumbatterien sind die lokale Quetschungsmethode und die flache Plattenquetschungsmethode. Die wichtigsten Formen von Quetschköpfen sind flach, kugelförmig, halbkugelförmig und konisch.

3 Prüfkammer

Quetschprüfkammer für Lithiumbatterien

Sie kann unter verschiedenen Bedingungen Quetschungen vornehmen und dabei Änderungen der Sicherheitseigenschaften der Batterie aufzeichnen. Diese Vorrichtung umfasst in der Regel eine Kompressionsvorrichtung, ein Datenerfassungssystem, eine Sicherheitsschutzvorrichtung und andere Komponenten. In dem Experiment verwendeten die Forscher eine Quetschversuchsplattform, um Lithiumbatterien mit verschiedenen Formen, Kräften und Positionen zu quetschen, um die Veränderungen der Sicherheitseigenschaften von Lithiumbatterien unter verschiedenen Bedingungen zu analysieren. Das Datenerfassungssystem sammelt in Echtzeit sicherheitsrelevante Parameter wie Temperatur, Spannung, Innenwiderstand und Kapazität von Lithiumbatterien, um den Forschern zu helfen, die Veränderungen in Lithiumbatterien während des Quetschvorgangs zu verstehen. Die Sicherheitsvorrichtung dient dazu, die Sicherheit von Personal und Ausrüstung während des Versuchs zu schützen.

System zur Erfassung der Parameter

Das Erfassungssystem umfasst ein Temperaturerfassungssystem, ein Spannungserfassungssystem, ein Widerstandserfassungssystem und ein Batteriekapazitätserfassungssystem. Das Temperaturerfassungssystem verwendet Thermoelemente vom Typ K und ein 8-Kanal-Temperaturdatenerfassungsmodul, um Daten über RS485 oder USB an den oberen Computer zu übertragen. Das Spannungserfassungssystem verwendet einen Spannungswandler zur Signalumwandlung und überträgt die Daten über RS485 an USB an den oberen Computer; das Widerstandserfassungssystem verwendet die Widerstandsspannungsteilungsmethode zur Signalumwandlung und überträgt die Daten über RS485 an USB an den oberen Computer; das Batteriekapazitätserfassungssystem verwendet einen Kaliumbatteriekapazitätstester zum Testen und überträgt die Testergebnisse an den oberen Computer. Das gesamte Erfassungssystem führt die Datenerfassung und -übertragung über ein Datenerfassungsmodul durch und zeigt sie schließlich auf dem oberen Computer an und analysiert sie.

4 Schlussfolgerung

Verschiedene anfängliche SOC erdrücken experimentelle Ergebnisse:

(1) Die Auswirkung des unterschiedlichen anfänglichen SOC auf das Aussehen von Lithiumbatterien ist nicht signifikant.

(2) Die sicherheitstechnischen Parameter von Lithiumbatterien mit unterschiedlichem Anfangs-SOC variieren nach dem Quetschen.

(3) Die 100%ige SOC-Lithiumbatterie hat eine dickere Dicke am Quetschpunkt.

Experimentelle Ergebnisse der Quetschung mit verschiedenen Formen von Quetschköpfen:

(1) Der rechtwinklige Quetschkopf erzeugt eine größere Quetschfläche für Lithiumbatterien, und die Quetschstelle ist relativ eng.

(2) Der zylindrische Quetschkopf erzeugt eine kleinere Quetschfläche für Lithiumbatterien, und die Quetschposition ist relativ stumpf.

(3) Unter den gleichen anfänglichen SOC- und Quetschpositionsbedingungen sind die Sicherheitseigenschaften von Lithiumbatterien mit zwei verschiedenen Formen von Quetschköpfen wie folgt:

Der Einfluss der Zahlen variiert.