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Thermischer Durchbruchtest für Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

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Thermischer Durchbruchtest für Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

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Auf der Grundlage des Experiments zu den thermischen Durchschlagseigenschaften von Lithiumbatterien wurden die thermischen Durchschlagseigenschaften von 18650-Lithiumionen mit Ladungsmengen von 20 %, 30 %, 50 %, 70 % und 100 % zusammengefasst, einschließlich der thermischen Durchschlagsausbreitung, der Wärmefreisetzungsrate, der Temperatur, des Massenverlusts und des freigesetzten Gases. Analyse der Risikomerkmale des thermischen Durchgehens von Lithiumbatterien im Cockpit, in der Kabine und im Frachtraum sowie der Fähigkeit der internen Feuerlösch- und Belüftungssysteme und anderer Einrichtungen, Bränden von Lithiumbatterien standzuhalten. Einführung des Experiments zum thermischen Durchgehen unter simulierten, sich ändernden Flugbedingungen als Referenz für die Entwicklung von groß angelegten Experimenten zu Lithiumbatterien.

Bei Batterien kommt es durch Erhitzung, Kurzschlüsse oder Zusammenstöße mit externen Kräften zu einem thermischen Durchgehen, bei dem nicht nur eine große Menge an Gas und Wärme freigesetzt wird, sondern das sich auch leicht von einer Batterie auf benachbarte Batterien ausbreitet. Obwohl das Phänomen des thermischen Durchgehens je nach Batterietyp variiert, kann es in vier Phasen zusammengefasst werden: Zuerst wird abwechselnd Gas aus den kleinen Löchern ausgestoßen (die äußere Verpackung wird durchgebrannt, um kleine Löcher zu bilden), dann treten innere Substanzen aus den vorhandenen kleinen Löchern am positiven Ende aus, dann werden innere Substanzen ausgestoßen, und schließlich werden alle inneren Substanzen ausgestoßen. Wenn sie aufrecht stehen, kommt es zu Explosionen in horizontaler Richtung, und Gase und Elektrolyte werden in vertikaler Richtung freigesetzt. Bei den herausgeschleuderten Stoffen handelt es sich hauptsächlich um Kupfer, Graphit und Aluminium.

1 Der Einfluss der Ladungsmenge auf die Eigenschaften des thermischen Durchgehens

Bei der Untersuchung des Einflusses des Ladezustands (SOC) auf die thermischen Runaway-Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien haben Forscher festgestellt, dass die Selbstentzündungstemperatur der Nickel-Kobalt-Batterie 18650 etwa 10 ℃ beträgt. Die thermische Stabilität von Lithium-Ionen-Batterien nimmt mit dem Anstieg des SOC ab, und der Domino-Ketteneffekt der thermischen Durchschlagskraft ist nachgewiesen.

Mit steigendem SOC der Batterie nimmt die Anfangstemperatur des thermischen Durchgehens allmählich ab, während die Endtemperatur des thermischen Durchgehens zunächst ansteigt und dann abnimmt, und der Massenverlust nimmt allmählich zu. Bei einem SOC von 0 % ist der CO-Gehalt im erzeugten Gas am höchsten und die Rauchgiftigkeit am stärksten. Bei 50 % wird die maximale Menge an Rauchgas erzeugt, aber der CO-Gehalt ist relativ gering, und die Merkmale der Verbrennung des Lithium-Ionen-Batterie-Jets sind am deutlichsten

1.1 Übertragung des thermischen Durchgehens

18650 Lithium-Ionen-Batterien mit einem SOC von 20 %, 30 %, 50 %, 70 % und 100 % wurden in 5 Gruppen aufgeteilt, die jeweils aus 4 Batterien und einem zylindrischen 100-W-Heizgerät bestanden. Es wurde festgestellt, dass bei einem SOC von 50 % alle vier Batterien thermisch durchgehen, wobei die Temperaturen über 700 ℃ erreichen; bei einem SOC von 40 % gehen zwei Batterien thermisch durch; bei einem SOC von 30 %, 70 % und 100 % verliert nur eine Batterie die thermische Kontrolle.

1.2 Maximale Wärmefreisetzungsrate

Im Experiment zum Einfluss des thermischen Durchgehens wurde das System in 5 Gruppen unterteilt, basierend auf SOC-Werten von 20%, 30%, 50%, 70% und 100%. Das System wurde mit Alkohol erhitzt, und die Änderungen der Systemwärme wurden mit einem Kegelkalorimeter aufgezeichnet. Die Spitzenwärmefreisetzungsrate (PHRR) wurde anhand der Beziehung zwischen den Änderungen des SOC und der Spitzenwärmefreisetzungsrate (PHRR) bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die PHRR mit der Erhöhung des SOC ansteigt, wobei die durchschnittliche PHRR bei 50 % und die minimale PHRR bei 20 % liegt. Wenn es zum thermischen Durchgehen kommt, liegt der Höchstwert der PHRR bei 50 % SOC, was auch die größte Anfälligkeit für die Ausbreitung des thermischen Durchgehens zwischen Batterien und die größte Gefahr darstellt

1.3 Temperatur

Untersuchung der Beziehung zwischen Temperatur und SOC-Änderungen in 18650 Lithium-Ionen-Batterien während verschiedener Phasen des thermischen Durchgehens durch Temperaturmessungsexperimente. Das Experiment ergab, dass die Temperatur T während der ersten Gasfreisetzung aufgrund des thermischen Durchgehens unabhängig vom SOC war und bei etwa 200 ℃ blieb; die Temperatur T2 während der zweiten Gasfreisetzung ist ebenfalls unabhängig vom SOC und beträgt etwa 260 ℃. Die höchste Temperatur T MAX während des gesamten thermischen Durchgehensprozesses steigt mit der Erhöhung des SOC. Bei 0 % beträgt die Höchsttemperatur etwa 600 ℃, und bei 100 % übersteigt die Höchsttemperatur 1000 ℃.

1.4 Qualitätsverlust

Untersuchung des Massenverlusts während des thermischen Durchgehens im Experiment zum Massenverlust beim thermischen Durchgehen. Nach der ersten Freisetzung von Gas beträgt der Massenverlust etwa 2-3 g, nach der zweiten Freisetzung von Gas etwa 17 g. Die Gesamtdauer der beiden Freisetzungen beträgt etwa 2 s. Bei der Untersuchung der Beziehung zwischen dem Gesetz zur Veränderung des Massenverlustes beim thermischen Durchgehen und dem SOC wurde festgestellt, dass sich die Masse m nach der ersten Freisetzung von Gas aus dem thermischen Durchgehen nicht mit der Veränderung des SOC ändert und der Massenverlust in dieser Phase ein konstanter Wert ist; die Masse m2 nach der zweiten Freisetzung von Gas nimmt mit der Erhöhung des SOC ab. Der Massenverlust der Batterie während des gesamten thermischen Durchgehensprozesses zeigt einen zunehmenden Trend mit der Erhöhung des SOC. Bei gleichem SOC ist der thermische Runaway-Massenverlust eine lineare Funktion der Speicherkapazität. Je größer die Speicherkapazität ist, desto größer ist der thermische Durchbruch-Massenverlust.

1.5 Freisetzung von Gas

Im Experiment zur Gasfreisetzung wurden 400 Lithium-Ionen-Batterien des Typs 18650 mit einem SOC von 50 % in einer 10 Quadratmeter großen Druckkammer platziert, um ein thermisches Durchgehen zu erleben. Der gemessene Druck zeigte, dass der maximale Druck, den sie erzeugen konnten, 193,1 kPa betrug. Wenn eine einzelne Batterie die thermische Kontrolle verliert, können innerhalb von 3 Sekunden ca. 6 l entflammbares Gas freigesetzt werden, und die Gesamtmenge des freigesetzten Gases und das Gesetz der einzelnen Komponenten, die mit dem Anstieg des SOC zunehmen, wurden ermittelt.

Die Gaszusammensetzung kann je nach Batterietyp variieren. Durchführung von Druckprüfungsexperimenten im Frachtraum 737. Messung des Drucks, der durch die Zündung des Gases erzeugt wird, das durch das thermische Durchgehen der Lithiumbatterie im Frachtraum der 737 bei einem echten Umgebungszustand von 70% Ladekapazität freigesetzt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Entzündung des Gases, das beim thermischen Durchgehen von 18650 Lithium-Ionen-Batterien mit 8 SOC von 50 % oder 3 SOC von 100 % freigesetzt wird, der entstehende Flammenrauch und Druck zum Versagen des Feuerlöschsystems im Frachtraum führt.