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Thermischer Sicherheitstest für Lithium-Ionen-Batterien

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Thermischer Sicherheitstest für Lithium-Ionen-Batterien

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Lithium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer hohen Energiedichte und geringen Selbstentladung ein großes Anwendungspotenzial. Allerdings wird bei der Nutzung eine große Menge an Wärme erzeugt, und die Innentemperatur der Batterie steigt schnell an. Häufig kommt es zu Unfällen, die durch thermisches Durchgehen gekennzeichnet sind und schwerwiegende Folgen haben. Daher ist die Untersuchung der thermischen Sicherheit von Batterien sehr wichtig.

Wissenschaftler aus dem In- und Ausland haben eine Reihe von Studien über die Sicherheit von Batterien durchgeführt. Dazu gehören unter anderem:

Analyse der Faktoren, die die Sicherheitsprüfung von Batterien beeinflussen.

Die Kennlinien der Arbeitsspannung und des Temperaturanstiegs von Lithium-Ionen-Batterien wurden durch Experimente untersucht.

Eine Reihe von Entwicklungsprozessen von Strombatterieunfällen wurde statistisch analysiert, und es wurde vorgeschlagen, dass das Kernproblem von Batterieunfällen das thermische Durchgehen ist.

Es wurden sehr fortschrittliche Entwicklungstechnologien für Energiebatterien vorgeschlagen, einschließlich Elektrolyt, der nicht verdampfen oder auslaufen kann, und Verpackung der Batterien mit robusten Materialien.

Auf der Grundlage der Analyse typischer Batteriebrandunfälle im In- und Ausland werden einige mögliche Kontrollmethoden vorgeschlagen, darunter die Verbesserung der thermischen Stabilität von Batteriematerialien, die Verwendung sicherer Elektrolyte und die Entwicklung neuer Feuerlöschsysteme.

Die Betriebseigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und der Einfluss von Faktoren wie Lade-Entlade-Rate und Umgebungstemperatur auf die Batterieleistung wurden durch Experimente analysiert.

Analyse der Wärmeentwicklung der Batterie, einschließlich der Zersetzung von SEI-Film, Elektrolyt und positiver Elektrode sowie der Reaktion zwischen negativer Elektrode und Elektrolyt, negativer Elektrode und Klebstoff.

Die Kontrolle der Batterietemperatur durch die thermische Speicherung von Phasenwechselmaterialien wurde durch experimentelle und numerische Berechnungsmethoden untersucht.

Durch die Analyse experimenteller Daten wurden die Auswirkungen der Lade- und Entladerate, der Umgebungstemperatur und des Ladezustands auf die thermischen Eigenschaften der Batterien diskutiert. Höhere Lade- und Entladeraten, niedrigere Umgebungstemperaturen und ein höherer Ladezustand wirken sich auf den Temperaturanstieg der Batterien aus. Gleichzeitig wurde der Anteil des ohmschen Innenwiderstands und des Polarisationsinnenwiderstands am Lade- und Entladevorgang der Lithium-Ionen-Batterie analysiert.

1 Versuch

Das Experimentalsystem für die elektrische Erwärmung beim Laden und Entladen der Leistungsbatterie umfasst hauptsächlich die Batterie, eine Kammer mit konstanter Temperatur, ein Lade- und Entladegerät, ein Thermoelement, ein Datenerfassungsgerät, einen Computer usw. Die Batterie besteht aus einer quadratischen Lithium-Eisenphosphat-Batterie (130 mm x 70 mm x 22 mm) mit einer Nennkapazität von 20 Ah für einzelne Batterien.

Zum Laden und Entladen werden automatische Prüfgeräte verwendet, um einen konstanten Lade- und Entladestrom zu erreichen. Zur Erfassung der Oberflächentemperatur der Batterie wird ein Datenerfassungsgerät verwendet, wobei das Thermoelement vom Typ K ist. Die Thermoelemente werden in der Mitte der positiven und negativen Elektroden der Batterie sowie an der Vorderseite und den Seiten der Batterie angeordnet. Computergesteuerte Inbetriebnahme und synchrone Aufzeichnung der Daten.

Es wurden Simulationsexperimente mit einer Einzelzellenbatterie durchgeführt, bei denen die Batterie mit konstantem Strom bei 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C und 1 C geladen und entladen wurde, um die Änderungen der Oberflächentemperatur der Batterie während des Lade- und Entladevorgangs unter den natürlichen Wärmeabgabebedingungen der Umgebung zu testen. Laden Sie die Batterie auf 3,6 V auf und entladen Sie sie auf 2,0 V, um das Experiment abzuschließen.

2 Ergebnisse und Analyse

Die Veränderung der Temperatur und des Innenwiderstands der Batterie über die Zeit an verschiedenen Messpunkten beim Laden mit 1 C Konstantstrom. Es ist zu erkennen, dass das Muster des Temperaturanstiegs an verschiedenen Positionen auf der Batterieoberfläche ähnlich ist. Der Temperaturanstieg ist vor dem Ladevorgang für 2500 s relativ gering, aber nach 2500 s steigt die Temperatur an verschiedenen Punkten der Batterieoberfläche stark an. Die Analyse deutet darauf hin, dass am Ende des Ladevorgangs die Polarisierung der Batterie deutlich wird und der Innenwiderstand der Polarisierung steigt, was zu einem starken Anstieg der Erwärmungsrate der Batterie führt.

Vergleicht man die Temperaturen an verschiedenen Orten, so ist die Batterietemperatur nicht einheitlich kalibriert. Am Ende des Ladevorgangs kann der maximale Temperaturunterschied 10 ℃ erreichen.

Fassen Sie das Gesetz der Veränderung des Gesamtinnenwiderstands der Batterie über die Zeit während des 1 C Konstantstrom-Ladevorgangs zusammen. Es ist zu erkennen, dass sich der Gesamtinnenwiderstand der Batterie während des Ladevorgangs nicht wesentlich ändert. Erst in der Spätphase des Ladevorgangs nimmt die Polarisation der Batterie stark zu, und der Anstieg des Polarisationsinnenwiderstands führt zu einem Anstieg des Gesamtwiderstands.

Am Ende des Ladevorgangs einer Einzelleistungsbatterie variiert der Temperaturanstieg der Batterie mit dem Ladestrom. Die entsprechenden Temperaturanstiege für das Laden bei 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C und 1 C betragen 11,9 ℃, 14,5 ℃, 28,5 ℃ bzw. 38,6 ℃. Es ist zu erkennen, dass die Heizleistung der Batterie umso größer ist, je höher die Ladegeschwindigkeit ist. Unter den Bedingungen der natürlichen Konvektionswärmeübertragung ist der Temperaturanstieg an der Oberfläche der Batterie umso größer.

Entladevorgang einer Einzelzellenbatterie bei 1 C konstantem Strom: Temperaturänderungen an verschiedenen Punkten der Batterieoberfläche im Laufe der Zeit. Es ist zu erkennen, dass der Temperaturanstieg an verschiedenen Stellen ähnlich verläuft: Während des Entladevorgangs steigt die Temperatur um etwa 25,2 ℃.

Am Ende der Entladung einer Einzelleistungsbatterie variiert der Temperaturanstieg der Batterie mit dem Ladestrom. Die entsprechenden Temperaturanstiege für das Laden bei 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C und 1 C betragen 7,4 ℃, 15,8 ℃, 23,8 ℃ bzw. 25,2 ℃. Es ist zu erkennen, dass der Temperaturanstieg an der Batterieoberfläche umso größer ist, je höher die Entladungsrate ist.

3 Schlussfolgerung

Durch die Durchführung des Lade- und Entladevorgangs einer einzelligen 20-Ah-Batterie und die Messung der Temperatur an verschiedenen Stellen der Batterieoberfläche konnten eine Reihe von Mustern ermittelt werden. Der Ladevorgang mit konstantem Strom einer Einzelleistungsbatterie führt zu einem starken Anstieg der Batterietemperatur am Ende des Ladevorgangs. Die Temperaturverteilung der einzelnen Batterien ist ungleichmäßig, und die Temperatur der positiven und negativen Elektroden der Batterie ist höher als die der anderen Bereiche.