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Thermischer Missbrauchstest für Lithium-Ionen-Batterie

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Thermischer Missbrauchstest für Lithium-Ionen-Batterie

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1.Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien unter Überhitzungsbedingungen

Die Sicherheitsprobleme von Lithium-Ionen-Batterien treten hauptsächlich in Form von Bränden und Explosionen auf, die durch unkontrollierte Hitze verursacht werden. Die Ursachen des thermischen Durchgehens können in externe und interne Bedingungen unterteilt werden. Die Innentemperatur des Akkus steigt ebenfalls an, wenn die Außentemperatur weiter ansteigt. Wenn die Temperatur auf einen bestimmten Wert ansteigt, wird die Membran thermisch geschlossen und die Plus- und Minuspole werden aus Sicherheitsgründen isoliert. Wenn sich die Membran jedoch nicht wirksam schließen lässt oder die Membran schmilzt und bricht oder andere exotherme Reaktionen im Inneren der Batterie gleichzeitig stattfinden, so dass die Temperatur der Batterie weiterhin hoch ist, kann dies zu Sicherheitsproblemen führen. Es zeigt sich, dass die durch Überhitzung verursachten Sicherheitsprobleme das Ergebnis des Zusammenwirkens von internen und externen Bedingungen sind.

Wenn zum Beispiel die Temperatur der Lithium-Kobaltat-System-Batterie den Sicherheitsgrenzwert überschreitet (z. B. 150 ℃), kann es aufgrund der thermischen Stabilität des Diaphragmas und der heftigen Oxidationsreaktion des Elektrolyten und der positiven Elektrode sehr leicht zu einem Brand oder einer Explosion der Batterie kommen.

2.Prüfverfahren für die Überhitzung von Lithium-Ionen-Batterien

Gegenwärtig umfassen die Normen zur Bewertung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich internationale Normen (z. B. IEC-Normen), nationale oder regionale Normen (z. B. JIS-, GB-, EN-Normen usw.) und Industrienormen (z. B. UL-, IEEE-, SJ-, QB-Normen usw.). In diesen Normen wird häufig der "thermische Missbrauchstest" verwendet, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien unter Überhitzungsbedingungen zu bewerten. So lautet beispielsweise die in IEC 62133:2002 festgelegte Methode für den thermischen Missbrauchstest wie folgt: "Nachdem die vollständig geladene Batterie bei Raumtemperatur stabilisiert wurde, wird sie in einen Thermostat mit natürlicher oder zirkulierender Luftkonvektion gelegt, und der Thermostat wird mit einer Geschwindigkeit von 5 ℃/min ± 2 ℃/min auf 130 ℃ ± 2 ℃ erhitzt. Diese Temperatur ist beizubehalten, und die Prüfung ist nach 10 Minuten zu beenden, um zu prüfen, ob die Batterie brennt oder explodiert." Diese Normen stimmen im Wesentlichen mit der Prüfmethode für den Hitzetest überein, nur die Prüfbedingungen sind etwas anders.

Die Lithium-Ionen-Batterienorm, die einige Jahre nach der Erfindung der Lithium-Primärbatterie entwickelt wurde, wurde ebenfalls nach der Lithium-Primärbatterienorm formuliert. Viele der Sicherheitstests für Lithium-Ionen-Batterien basieren ebenfalls auf der Lithium-Primärbatterie. Der Hitzetest für Lithium-Ionen-Batterien geht auf den Hitzetest für Lithium-Primärbatterien zurück. So entspricht beispielsweise der Wärmebelastungstest für Lithium-Ionen-Batterien in der IEC 62133 im Wesentlichen dem Wärmebelastungstest für Lithium-Primärbatterien in der IEC 60086-4 Primärbatterien - Teil 4: Sicherheitsanforderungen für Lithiumbatterien, die früher entwickelt wurde.

3.Analyse der Testbedingungen

3.1 Analyse der Haltezeit bei hohen Temperaturen

In den bestehenden Normen lautet die Prüfmethode für Lithium-Ionen-Batterien im Wesentlichen "der Inkubator heizt sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf eine bestimmte hohe Temperatur auf und hält diese Temperatur für eine bestimmte Zeit". Die Haltezeit bei dieser Prüfmethode beginnt, wenn die Temperatur des Inkubators eine bestimmte hohe Temperatur erreicht. Diese Methode ist jedoch für verschiedene Batterien, insbesondere für Batterien unterschiedlicher Größe, nicht gerecht. Die Erwärmungsrate verschiedener Batterien ist nicht unbedingt gleich. Aufgrund des großen Unterschieds zwischen der Wärmeübertragungsrate der Lithium-Ionen-Batterie und der Luft ist die Heizrate der Batterie geringer als die des Thermostats. Die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie kann nicht vollständig mit der Temperatur des Thermostats übereinstimmen. Wenn die Temperatur im Inkubator eine bestimmte hohe Temperatur erreicht, dauert es daher eine gewisse Zeit, bis die Batterie die gleiche Temperatur wie der Inkubator hat. Da Material, Form, Größe und Qualität des Akkus unterschiedlich sind, ist auch die erforderliche Ausgleichszeit unterschiedlich.

Vier typische Lithium-Ionen-Batterien werden als Muster ausgewählt: eine quadratische Batterie mit kleiner Kapazität, eine zylindrische Batterie, eine quadratische Batterie mit großer Kapazität und eine Polymerbatterie. Legen Sie die Probe in einen Inkubator, der sie mit einer Geschwindigkeit von 5℃/min auf 130℃ erhitzt und eine Zeit lang hält.

Der Vergleich zeigt, dass die Temperaturanstiegsrate verschiedener Batterien sehr unterschiedlich ist, insbesondere bei großen Batterien ist die Zeit für das thermische Gleichgewicht länger. Nachdem die Temperatur des Inkubators auf den Höchstwert gestiegen ist und 10 Minuten lang anhält, ist die Temperatur der Oberfläche der anderen Zellen, mit Ausnahme der Probe (Polymerzelle), noch nicht auf die Höchsttemperatur gestiegen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es für verschiedene Batterien nicht dasselbe ist, mit der Zeitmessung zu beginnen, wenn die Temperatur des Inkubators auf eine bestimmte Temperatur ansteigt. Insbesondere bei großen Batterien ist der Zweck der Prüfung und Bewertung nicht erreicht, weil die Batterie die Prüftemperatur noch nicht erreicht hat. Es ist jedoch sinnvoller, die Oberflächentemperatur der Batterie während des Tests zu überwachen und die Oberflächentemperatur der Batterie, die eine bestimmte Temperatur erreicht, als Startbedingung für die Zeitmessung zu nehmen. Dies ist jedoch schwierig zu handhaben, da die Ausgleichszeit jeder Probe leicht unterschiedlich sein kann, wenn mindestens drei Proben gleichzeitig getestet werden. Der Batterietyp, der in aktuellen elektronischen Produkten verwendet wird, wird umfassend berücksichtigt und streng geprüft. Es ist sinnvoller, die Temperatur des Inkubators als Testbedingung zu nehmen, nachdem sie auf eine bestimmte Temperatur gestiegen ist und diese 30 Minuten lang gehalten wurde.

3.2 Analyse der maximalen Testtemperatur

Die maximale Temperatur, die verschiedene Batteriematerialien aushalten können, ist unterschiedlich, und eine höhere Temperatur bedeutet, dass die Batterie unter Überhitzungsbedingungen eine höhere Sicherheit aufweist. Die thermischen Eigenschaften von Membranmaterialien sind für die thermische Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sehr wichtig, und die Höchsttemperatur, die verschiedene Membranmaterialien aushalten können, ist ebenfalls unterschiedlich. Zu den üblicherweise verwendeten Membranmaterialien gehören PE, PP und PE-PP-PE, die einer Höchsttemperatur von 130 ℃~150 ℃ standhalten können. Die Überhitzungssicherheit der von ihnen hergestellten Batterien ist ebenfalls uneinheitlich. Die oben genannten vier Batteriemuster wurden Hitzetests bei 130 ℃, 140 ℃, 145 ℃ bzw. 150 ℃ unterzogen.

Aus dem tatsächlichen Test geht hervor, dass die Batterie bei dem Wärmeabnutzungstest bei 130 ℃ fast keine eigene exotherme Reaktion nach dem Wärmeausgleich hatte, wodurch die Temperatur spontan anstieg, während bei dem Test bei 135 ℃, 140 ℃, 145 ℃ und 150 ℃ eine eigene exotherme Reaktion in unterschiedlichem Ausmaß auftrat, und je höher die Testtemperatur war, desto intensiver war die exotherme Reaktion. Mit der Erhöhung der Prüftemperatur, die Selbsterhitzung Reaktion der Batterie allmählich intensiviert, und die Bewertung der Sicherheit ist strenger, und das Risiko von Feuer und Explosion erhöht.

Aus den obigen Ausführungen geht hervor, dass 130 ℃ nur als die grundlegendste Prüftemperatur für die Bewertung des thermischen Missbrauchs verwendet werden kann. Gleichzeitig kann die Prüftemperatur je nach den verschiedenen Verwendungszwecken der Batterie erhöht werden. Darüber hinaus zeigt der Test auch, dass die Batterie, wenn die Temperatur auf die eingestellte Temperatur ansteigt, wenn die Erwärmung nicht sofort gestoppt wird, für eine gewisse Zeit auf der eingestellten Temperatur gehalten wird, um sicherzustellen, dass eine ausreichende autotherme Reaktion stattfinden kann, um die Überhitzungssicherheit besser zu bewerten.

4.Schlussfolgerung

Die Sicherheitsprobleme von Lithium-Ionen-Batterien werden meist durch thermisches Durchgehen verursacht. Für Lithium-Ionen-Batterien, die bei besonderen Anlässen verwendet werden, kann auch eine weitere Bewertung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien in Betracht gezogen werden, indem die Prüftemperatur erhöht, die Haltezeit bei hohen Temperaturen verlängert und andere Methoden zur Verschärfung der Prüfbedingungen angewendet werden.