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Lithium-Ionen-Batterie Nageldurchdringungstest

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Lithium-Ionen-Batterie Nageldurchdringungstest

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Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Batteriespannung und spezifischen Energie, ihres weiten Betriebstemperaturbereichs, ihrer langen Lebensdauer, ihrer Umweltfreundlichkeit und ihres fehlenden Memory-Effekts häufig in tragbaren Geräten, wissenschaftlichen Geräten, Raumfahrzeugen und Satellitensystemen eingesetzt. Kommt es jedoch bei Lithium-Ionen-Batterien zu internen Kurzschlüssen, externen Kurzschlüssen, Überladung oder werden sie in Umgebungen mit hohen Temperaturen eingesetzt, steigen die Joulesche Wärme und die Reaktionswärme innerhalb der Batterie stark an, was zu katastrophalen gefährlichen Ereignissen wie Explosionen, Bränden und thermischem Durchgehen führt.

Um die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien zu testen, haben einschlägige Organisationen wie Writers Laboratories, Japan Battery Association (JBA) und Chinese National Standards (GB) nacheinander Sicherheitsteststandards für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Die üblicherweise verwendeten Sicherheitsprüfungen umfassen derzeit vier Aspekte: thermische Leistung, mechanische Leistung, elektrische Leistung und Prüfung der Anpassungsfähigkeit an extreme Umweltbedingungen.

Der Nageldurchdringungstest wird verwendet, um den internen Kurzschluss von Lithium-Ionen-Batterien zu bewerten, der durch Lithiumablagerungen, Herstellungsfehler oder andere Gründe verursacht wird, oder um die Situation zu beurteilen, dass nadelartige Objekte Lithium-Ionen-Batterien durchstoßen.

Derzeit gibt es Probleme mit unklaren Mechanismen und schlechter Wiederholbarkeit bei den Sicherheitsunfällen, die durch das Eindringen von Nägeln verursacht werden. Die Verbesserung des Batteriedesigns ist ein wichtiger Weg, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen, indem der Mechanismus und die Einflussfaktoren des thermischen Durchgehens während des Nageldurchdringungsprozesses der Batterie untersucht und analysiert werden. In diesem Artikel wird die interne Kurzschlusssituation unter Nagelpenetrationsbedingungen analysiert und zusammengefasst, die bestehenden Forschungsmethoden für Nagelpenetrationsexperimente vorgestellt, ihre jeweiligen Vorteile analysiert und schließlich Methoden zur Verbesserung des Nagelpenetrationsmodells für den nächsten Schritt zur Erstellung eines genauen Lithium-Ionen-Batterie-Nagelpenetrationsmodells als Referenz vorgeschlagen.

1 Nagelpenetrationstest für Lithium-Ionen-Batterien

Der Nageldurchdringungstest für Lithium-Ionen-Batterien wird mit einer hochtemperaturbeständigen Stahlnadel von φ 5~ φ 8 mm (mit einem Nadelspitzenwinkel von 60 ° und einer glatten Oberfläche ohne Rost, Oxidschicht und Ölflecken) durchgeführt, die mit einer Geschwindigkeit von (25 ± 5) mm/s aus der Richtung senkrecht zur Batterieelektrodenplatte eingeführt werden sollte, und die Durchdringungsposition sollte nahe der geometrischen Mitte der Nageldurchdringungsfläche liegen (die Stahlnadel bleibt in der Batterie). Der Kurzschluss in der Batterie sollte künstlich ausgelöst und über einen bestimmten Zeitraum beobachtet werden. Der Nageldurchdringungstest ist in Abbildung 1 dargestellt. Wenn die Batterie kein Feuer fängt, nicht raucht und nicht explodiert, hat sie den Nageldurchdringungstest bestanden. Andernfalls wird er nicht bestanden. Beim Nageldurchdringungsversuch werden hauptsächlich die Auswirkungen der Nageldurchdringungsrate, der Nageldurchdringungsposition, des Ladezustands, der Batteriekapazität usw. auf die Batteriesicherheit untersucht.

Bei der Nagelpenetration von Lithium-Ionen-Batterien kann es in vier verschiedenen Situationen zu internen Kurzschlüssen kommen

(1) Ein interner Kurzschluss tritt zwischen dem positiven und dem negativen Stromsammler (Aluminiumfolie und Kupferfolie) auf

(2) Auftreten zwischen Aluminiumfolie und negativer Elektrode

(3) Zwischen der positiven und negativen Elektrode

(4) zwischen der Kupferfolie und dem Gate der positiven Elektrode.

Andererseits werden bei der Nagelpenetration von Lithium-Ionen-Batterien oft mehr als eine Art von internem Kurzschluss ausgelöst, und auch die Situation des internen Kurzschlusses entwickelt sich im Laufe der Zeit weiter. Dies ist der eigentliche Grund für den unklaren Mechanismus des internen Kurzschlusses und die schlechte Wiederholbarkeit während der Nagelpenetrationstests von Lithium-Ionen-Batterien.

Nach derzeitigem Kenntnisstand ist der grundlegende Prozess des internen Kurzschlusses, der durch Lithium-Ionen-Batterien während des Nageldurchdringungsprozesses verursacht wird, wie folgt: Erstens verursacht die durch den internen Kurzschluss erzeugte Joule-Wärme einen schnellen Anstieg der lokalen Temperatur der Batterie. Nachdem die Temperatur einen bestimmten Wert erreicht hat, führt sie zur Zersetzung der SEI-Membran (80-120 ℃) und zum Schmelzen der Membran (165 ℃). Die Zersetzung der SEI-Membranen und das Schmelzen der Membranen erzeugen mehr Wärme, was die Zersetzung des Elektrolyten (130-300 ℃) und die Reduktionsreaktion der negativen Elektrode (100-400 ℃) fördert, während die Oxidationsreaktion der positiven Elektrode (160-400 ℃) schließlich zu einer unkontrollierten Erwärmung führt.

Zu den Parametern, die bei der Sicherheitsprüfung der Nagelpenetration getestet werden müssen, gehören

(1) Temperaturänderungen an verschiedenen Positionen der Lithium-Ionen-Batterien während des Nageleindringens

(2) Spannungsänderungen in Lithium-Ionen-Batterien während des Nageleindringens

(3) Die Selbsterhitzungsrate, die anfängliche thermische Durchbruchstemperatur, das Reaktionsniveau und der Arrhenius-Koeffizient von Lithium-Ionen-Batterien während des Durchdringungsprozesses.

Diese Parameter werden verwendet, um die möglichen Reaktionen zu analysieren, die während des Nageldurchdringungsprozesses von Lithium-Ionen-Batterien auftreten können, sowie das Auftreten von thermischem Durchgehen. Derzeit haben Forschungsgruppen im In- und Ausland den Prozess und seine Auswirkungen auf die Batteriesicherheit aus verschiedenen Blickwinkeln anhand von Nagelpenetrationsexperimenten analysiert.

2 Tatsächliche Testergebnisse

Es wurde ein Nageldurchdringungstest an einer 18650 Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von 22 Ah durchgeführt und festgestellt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Lithium-Ionen-Batterie den Sicherheitstest besteht, mit steigender Nageldurchdringungsrate zunimmt. Nach der Untersuchung der Auswirkungen der Einstichgeschwindigkeit auf die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien in China wird angenommen, dass die Einstichgeschwindigkeit einen relativ geringen Einfluss auf die Sicherheit von zylindrischen Batterien hat; und sie hat einen signifikanten Einfluss auf die Sicherheit von Softpack-Power-Batterien. Je höher die Einstichgeschwindigkeit der Nadel ist, desto größer ist die Möglichkeit eines thermischen Durchgehens der Batterie. Einige Leute glauben, dass die lokale Wärmeentwicklung der Batterie höher ist, wenn die Einstichgeschwindigkeit der Nadel langsamer ist.

Daraus ist ersichtlich, dass die Schlussfolgerungen der drei oben genannten Arbeiten nicht konsistent sind. Es gibt viele Gründe, die diese Situation verursachen können. Erstens sind die Wickel- und Stapelstrukturen unterschiedlich, wobei die gewickelte Batterie einen engeren Kontakt zwischen den Schichten aufweist. Zweitens schützt die Dehnbarkeit des Diaphragmas bei geringer Nageleindringgeschwindigkeit die Batterie und verhindert das Auftreten von internen Kurzschlüssen. Andererseits erhöht sich nach dem Auftreten eines internen Kurzschlusses die Dauer des lokalen Hochstroms. Darüber hinaus können unterschiedliche Dicken von Kupferfolie, Aluminiumfolie, positiven und negativen Elektroden und Separatoren zu unterschiedlichen Testergebnissen bei unterschiedlichen Einstichgeschwindigkeiten führen.

Sie führten Nadelstichtests an vollständig geladenen Lithium-Ionen-Batterien mit kubischen Stahlnadeln mit den Abmessungen 40 mm x 1,5 mm x 1,5 mm an verschiedenen Positionen der Batterie durch. Sie fanden heraus, dass die Position in der Mitte des grünen Randes der Batterie, weit entfernt von der Polohrrichtung, den größten Temperaturanstieg verursachte und die schlechteste Sicherheit aufwies. Sie glauben, dass der Hauptgrund für dieses Phänomen die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Batterierandseparators ist, der die Wärmeableitung von Lithium-Ionen-Batterien begrenzt.

Sie führten Nagelpenetrationstests an 18650er Lithium-Ionen-Batterien mit einer Nennkapazität von 22 Ah unter verschiedenen Ladezuständen (SOC) durch. Es wurde festgestellt, dass mit abnehmendem SOC die Wahrscheinlichkeit, dass Lithium-Ionen-Batterien die Sicherheitstests bestehen, steigt. Der Grund dafür ist, dass die Anfangsspannung der Batterie umso höher ist, je höher der Ladezustand ist. Dadurch steigt der interne Kurzschlussstrom weiter an und die Kurzschlusszeit verlängert sich. Infolgedessen verschlechtert sich die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien bei den Nageldurchdringungstests.

Es wurde eine Nagelpenetrationsanalyse an voll geladenen Lithium-Ionen-Batterien mit 604-1104 m Ah durchgeführt und festgestellt, dass die Sicherheit der Nagelpenetrationstests für Lithium-Ionen-Batterien umso schlechter ist, je höher die Batteriekapazität ist.

Darüber hinaus wurden Nagelpenetrationstests an Lithium-Ionen-Polymerbatterien mit Keramikseparatoren durchgeführt. Sie erfassten die Temperatur mehrerer Batterien mit unterschiedlichem SOC im Bereich der Nagelpenetration und der Batterieoberfläche, die Spannungsänderungen der Batterien und den Gratzustand von Lithium-Ionen-Batterien nach der Nagelpenetration. Auf dieser Grundlage analysierten sie den Mechanismus des Nageleinstichs. Es wird vermutet, dass der Prozess des Nadeleinstichs durch die Batterie dazu führt, dass sich Aluminiumgrate und Kupfergrate verbinden und einen internen Kurzschluss zwischen Aluminiumfolie und Kupferfolie bilden.

Die Temperatur der lokalen Kurzschlusszone steigt mit der Erzeugung von Joulescher Wärme an. Erreicht die Temperatur die Schmelztemperatur von Aluminium, schmelzen und verbrennen die Aluminiumgrate und verursachen einen Kurzschluss mit den Kupfergraten. Sie lassen sich in drei Modellen zusammenfassen: Modell A, bei dem die Aluminiumgrate schmelzen und die Kupfergrate nicht mehr in Kontakt kommen. Bei Modell B schmelzen die Aluminiumgrate nicht und bilden einen internen Kurzschluss in Kontakt mit den Kupfergraten. Die Aluminiumgrate in Modell C schmelzen nicht vollständig und kommen nach einer gewissen Zeit wieder mit den Kupfergraten in Kontakt, wodurch ein interner Kurzschluss entsteht. Sie sind der Meinung, dass die Änderung der Verbrennung und des Schmelzens von Aluminiumgraten eine neue Richtung für das Design der Batteriesicherheit darstellt.

Die Forscher zeichneten nicht nur die Temperatur in der Nähe der Batterienadel, die Elektrodentemperatur und die Batteriespannung beim Nageleindringversuch auf, sondern auch die Druckveränderungen auf der Batterieoberfläche und fanden eine klare Übereinstimmung zwischen der Druckspitze auf der Batterieoberfläche und der Temperaturspitze auf der Batterie.

Sie sind der Meinung, dass die Batteriesicherheit neben der Batteriespannung und -temperatur auch durch die Erhöhung anderer Messgrößen wie dem Druck beschrieben werden kann. In dem oben genannten Experiment kann man die Nageldurchdringung von Lithium-Ionen-Batterien durch experimentelle Methoden realistischer analysieren. Die Art des Kurzschlusses, der im Inneren der Batterie während des Nageldurchdringungstests auftritt, ist jedoch nur eine Spekulation und kann theoretisch nicht gut unterstützt werden. Das Modell der Nagelpenetration von Lithium-Ionen-Batterien ist eine weitere Methode, um den Mechanismus der Nagelpenetration von Lithium-Ionen-Batterien zu analysieren und ihre Sicherheitsleistung zu verbessern.

3 Schlussfolgerung

Dieser Artikel fasst die experimentelle Analyse des Nadeleinstichprozesses in Lithium-Ionen-Batterien zusammen. Die Modellierung und Simulation des Prozesses des Eindringens von Batterienägeln ist ein wichtiges Instrument zur Untersuchung des Mechanismus des Eindringens von Batterienägeln, zur Verbesserung der Batteriestruktur und zur Erhöhung der Sicherheit von Batterien. Gegenwärtig kann die experimentelle Methode das Sicherheitsproblem der Nagelpenetration von Batterien nicht eindeutig aufzeigen. Die vorhandenen Modelle für das Eindringen der Nägel reichen jedoch nicht aus, um den Prozess des Eindringens der Nägel und den durch Lithium-Ionen-Batterien verursachten internen Kurzschluss genau zu beschreiben. Daher ist die weitere Verbesserung und Perfektionierung des Nagelpenetrationsmodells von Lithium-Ionen-Batterien ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der Sicherheitsanalyse von internen Kurzschlüssen in Batterien.