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Sicherheitserwägungen bei der Prüfung von Lithiumbatterien

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Sicherheitserwägungen bei der Prüfung von Lithiumbatterien

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1.Einführung

Als weit verbreitete Energiequelle für tragbare Geräte hat die Lithium-Ionen-Batterie die Vorteile einer hohen Energiedichte, keiner Memory-Effekte, einer langen Lebensdauer und der Umweltfreundlichkeit usw. Nachdem sich kleine Lithium-Ionen-Batterien im Bereich der Unterhaltungselektronik durchgesetzt haben, werden nun große Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, die in Kraftfahrzeugen und Stromnetzen zum Einsatz kommen.

Die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien führt zu Brandunfällen und Explosionen. Viele Forscher auf dem Gebiet der Batteriechemie haben die Gründe für das Versagen von Batterien unter verschiedenen Bedingungen aus chemischer Sicht untersucht und analysiert. Auf der Grundlage dieser Studien wurden die Batteriekomponenten kontinuierlich verbessert: Es wurden verschiedene Anoden- und Kathodenmaterialien entwickelt, um die chemische Stabilität zu verbessern; ein mehrschichtiger Separator wurde entwickelt, um das thermische Durchgehen zu begrenzen; geeignete Zusätze wurden in den Elektrolyten eingebracht, um chemische Reaktionen zu blockieren oder die Batterie selbst zu entladen, um das Risiko einer Überladung zu verringern, ohne die normale Aufladung zu beeinträchtigen, usw. Auch die Herstellungs- und Montagetechniken wurden verbessert, um die Fehlerwahrscheinlichkeit zu verringern. Die detaillierten Inhaltsstoffe der Batteriekomponenten und die Qualität der Batteriemontage, die sich stark auf die Sicherheit der Batterie auswirken, bleiben jedoch für Elektroingenieure, die Batteriespeichersysteme betreiben, unklar. Daher müssen die Prinzipien der Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt werden, um einen grundlegenden Überblick über die von der Lithium-Ionen-Batterie ausgehenden Risiken und die Gründe für diese Risiken zu erhalten. Diese Sichtweise wird Ingenieuren, die BESS betreiben, geeignete Wege für eine gut geregelte Sicherheit bieten.

2.Missbrauchstest von Lithium-Ionen-Batteriezellen

In der Praxis ist das Versagen einer Lithium-Ionen-Zelle ein umfassender Prozess, der mit einer der oben genannten exothermen Reaktionen beginnen und mit verschiedenen Gefahren enden kann, wie z. B. Ausdehnung des Batteriekörpers, Auslaufen des Elektrolyts, Entweichen von Gas, Feuer, Explosion usw. Um das Sicherheitsniveau kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien abzuschätzen, werden Missbrauchstests in mechanischer, elektrischer und thermischer Hinsicht gemäß den UL- und IEC-Normen durchgeführt. Für Lithium-Ionen-BESS, die in Netzanwendungen eingesetzt werden, werden große Batterien mit Pouch- oder prismatischem Design bevorzugt. Alle Zellen wurden vor den Missbrauchstests gemäß den Normen vollständig geladen.

2.1 Thermische Beanspruchung

Die Objektivzellen wurden in einer Temperaturkammer erhitzt. Die Umgebungstemperatur der Kammer wurde auf 130 ℃ mit einer Steigerungsrate von 5℃/min eingestellt. Nachdem die Umgebungstemperatur in der Kammer 130 ℃ erreicht hatte, wurde sie 10 Minuten lang gehalten und dann wurden die Proben beobachtet. Unter der Temperatur wurden potenzielle Risiken durch SEI-Ausfall die Schmelze des Separators und einen erhöhten Gasdruck aus dem Elektrolyt gebracht. Nach dem Test wurden das Auslaufen, die Gasentweichung und der Spannungsabfall der getesteten Batteriezellen nicht beobachtet.

Aus Abb. 2 ist ersichtlich, dass sich der Zellkörper sowohl bei prismatischen Zellen als auch bei Pouch-Zellen ausdehnt. Die Ausdehnung des Körpers könnte durch verdampfenden Elektrolyt verursacht werden. Die Ausdehnungsrate des Körpers hängt von der Menge des niedrig siedenden Lösungsmittels im Elektrolyten ab. Die genaue Menge und das Verhältnis sind für die Benutzer unklar. Die Beobachtung lässt jedoch den Schluss zu, dass die in Abb. 2(c) gezeigte Probe des Beuteltyps eine bessere Leistung aufweist als die in Abb. 2(b), was auf ein höheres Sicherheitsniveau hinweist. Die prismatische Probe in Abb. 2 (a) zeigt eine gute Leistung aufgrund ihres hohen Wärmewiderstands, der durch die Dicke verursacht wird.

2.2 Nageldurchdringung

Ein ∅5 mm langer Nagel wurde mit 20 mm/s in die Proben eingedrückt. Er wurde dann nach 1 Minute wieder herausgezogen. Unter dieser Testbedingung kann es zu einem internen Kurzschluss kommen, der durch den direkten Kontakt von positiven und negativen Materialien verursacht wird. Die durch den internen Kurzschluss entstehende Wärme kann zu Zersetzungsreaktionen der Batteriekomponenten führen.

Während des Tests wurden bei allen prismatischen Zellen Elektrolytspritzer und eine starke Gasentweichung beobachtet. Die gemessene Spannung und Oberflächentemperatur einer Zelle sind in Abb.3(a) dargestellt. Die Kurven zeigten, dass ein interner Kurzschluss auftrat, der eine Freisetzung der gespeicherten Energie und einen Abfall der Zellenspannung verursachte. Außerdem stieg die Temperatur aufgrund der freigesetzten Energie auf bis zu 130 8 ℃ an. Die Oberflächentemperatur fiel dann in einen relativ sicheren Bereich, was bedeutet, dass keine exothermen Kettenreaktionen auftraten und ein thermisches Durchgehen nach dem Test vermieden wurde.

Bei den Pouch-Zellen wurden mit Ausnahme einer von fünf Proben während des Tests kein Temperaturanstieg, kein Elektrolytspray und keine Gasentweichung festgestellt. In Abb.3 (b) sind die gemessene Spannung und die Oberflächentemperatur der problematischen Zelle aufgetragen. Ein Teil der gespeicherten Energie wurde durch den internen Kurzschluss freigesetzt. Und der interne Kurzschluss wurde durch das aus dem Elektrolyt freigesetzte Gas beendet, das den Zellkörper vergrößerte und eine Isolierschicht zwischen den positiven und negativen Materialien und dem Separator im durchdrungenen Bereich bildete.

Dieser unvollständige interne Kurzschluss führte nur zu einer leicht reduzierten Zellspannung und einer Spitzentemperatur von 90. 5 ℃. Da die Oberflächentemperatur der Zelle sank, trat das Phänomen des thermischen Durchgehens nach dem Test nicht auf. Der Entlüftungsschutz der prismatischen Zelle wurde aufgrund des hohen Innendrucks ausgelöst, wie in Abb. 4(a) dargestellt. Bei der Pouch-Zelle konnten Ausdehnungen des Körpers beobachtet werden, wie in Abb. 4(b) dargestellt. Im Allgemeinen weisen Pouch-Zellen im Vergleich zu prismatischen Zellen ein höheres Sicherheitsniveau auf.

2.3 Überladung

Die Proben werden mit einem Strom von 0,05 C überladen. Sobald die Zellenspannung 5 V erreicht oder die Ladezeit 30 Minuten beträgt, wird der Test beendet. 1 C ist definiert als die Stromstärke, mit der die Batteriezelle in einer Stunde vollständig entladen wird, d. h. 1 C entspricht 40 A für eine Batterie mit einer Kapazität von 40 Ah.

Bei allen getesteten Proben wurden kein Auslaufen des Elektrolyts, kein Entweichen von Gas oder andere Gefahren festgestellt. Die Ausdehnung des Körpers der Proben kann nach dem Test beobachtet werden. Die gemessene Zellenspannung, die Umgebungstemperatur und die Oberflächentemperatur der Zelle (siehe Abb. 5) lassen den Schluss zu, dass das Phänomen des thermischen Durchgehens nicht aufgetreten ist.

2.4 Externer Kurzschluss

Zwischen die Probenelektroden wurde ein Schaltschütz geschaltet, und der Kurzschlusswiderstand wurde auf 5 mΩ eingestellt. Bei den ersten Versuchen wurden Brände am Kabel oder am Schütz festgestellt, wie in Abb. 6 dargestellt. Daraus folgt. Bei der anschließenden Prüfung wurden Kabel und Schütze mit einem Strom von 1 500 A gewählt, um Brände im Prüfkreis zu vermeiden.

Die Ausdehnung des Körpers, das Austreten von Elektrolyt und die Entlüftung von Gas wurden während des Tests bei allen prismatischen Proben sowie bei einigen Pouch-Proben festgestellt. Nach dem Schließen des Schützes des Testkreises stieg die Oberflächentemperatur der Zelle auf etwa 100 °C an. Bei erhöhter Temperatur dehnte sich der Zellkörper aus (siehe Abb. 7, Bereich A), wobei Gas aus dem Elektrolyten freigesetzt wurde (siehe Abb. 7, Bereich B) und Elektrolyt austrat (siehe Abb. 7, Bereich C). Schließlich kam es zu einem heftigen Gasaustritt mit Elektrolyt (wie in Abb.7, Bereich D). Entsprechend der vorangegangenen Einführung des Elektrolyten sind das entweichende Gas und der Elektrolyt zündfähig. Nach etwa 10 Minuten begann die Oberflächentemperatur der Zelle zu sinken. Während und nach dem Test kam es zu keinem Brand oder einer Explosion. Daher ist das Phänomen des thermischen Durchgehens nicht aufgetreten.

Außerdem schmolz der Stromabnehmer der positiven Elektrode sofort, wodurch der externe Kurzschluss beendet wurde. Dieses Phänomen wurde bei den meisten Proben des Beuteltyps und einer prismatischen Probe beobachtet. Abb. 8 zeigt, dass das Schmelzen der prismatischen Proben stärker war als das der Pouch-Proben. In Abb. 8 spritzten metallische Funken aus dem positiven Stromabnehmer. Diese metallischen Funken können das entweichende Gas oder den austretenden Elektrolyt entzünden und dann einen Brand verursachen.