Thermisches Durchgehen von Lithiumbatterien durch Nagelpenetration – Teil 2

Thermisches Durchgehen von Lithiumbatterien durch Nagelpenetration – Teil 2

3.Vergleich und Analyse von Nagelpenetration Thermal Runaway-Test

Vergleicht man die Ergebnisse der sechs Testgruppen, waren die Batterien beschädigt, die Schwere der Tests war jedoch unterschiedlich. Entsprechend den unterschiedlichen experimentellen Merkmalen können die experimentellen Merkmale der Nagelpenetration in drei Kategorien eingeteilt werden.

Kategorie I: Beispielsweise entladen die Batterien der Gruppen 1 und 5 nur Elektrolyt, ohne Rauch und Explosion;

Klasse II: Obwohl beispielsweise die Batterien der Gruppen 3 und 6 nicht explodierten, wurde eine kleine Menge Rauch und Elektrolyt aus dem Überdruckventil der Batterie ausgestoßen;

Kategorie III: Beispielsweise explodierte die Batterie und erzeugte beim Test der Gruppe 2 und Gruppe 3 eine starke Rauchentwicklung, die schwere Schäden verursachte. Es lässt sich feststellen, dass das Ergebnis des durch das Eindringen von Nägeln verursachten thermischen Durchgehens eher zufällig ist, aber zu schweren Schäden an der Batterie geführt hat.

Bei der ersten Art von Testergebnissen zeigt die Batterie keine offensichtliche Veränderung, nachdem der Stich gerade in die Batterie eingedrungen ist. Nach einiger Zeit begann der Elektrolyt langsam herauszufließen, begleitet von einem stechenden Geruch, und der Elektrolyt floss heraus, nachdem die Batterie durchstochen worden war. In der ersten und der fünften Testgruppe war etwa 120 und 80 Sekunden nach dem Durchstechen der Batterie der angesammelte Elektrolyt zu sehen. Später, im weiteren Verlauf des Tests, stieg die Temperatur weiter an und die Plastikhülle der Batterie um das Bajonett herum schmolz. Der Elektrolyt selbst ist ätzend und zerstört die Gegenstände um die Batterie herum. Wenn der Elektrolyt im Batteriepack fließt, führt die Leitfähigkeit des Elektrolyten auch zu externen Kurzschlüssen anderer Batterien.

Die Spannung der Nadeln der Gruppen 1 und 5 fiel nach dem Einstechen in die Batterie schnell ab und fiel dann in kontinuierlicher Schwankung langsam auf 0 V ab. Die Oberflächentemperatur der Batterie in Gruppe 1 und Gruppe 5 stieg nach dem Eindringen des Nagels schnell an. Der Temperaturmesspunkt auf der Oberfläche der Batterie erreichte in den beiden Testgruppen 90–100 °C und begann dann zu sinken, aber die Temperatur der Batterie sank in der fünften Testgruppe schneller als in der ersten Testgruppe .

Bei der zweiten Art von Ergebnissen, der vierten Testgruppe und der sechsten Testgruppe, erzeugte die Batterie eine kleine Menge Rauch und entlud den Elektrolyten. Beispielsweise wurde in der vierten Testgruppe der Rauch in der 9. Sekunde nach dem Eindringen des Bajonetts in die Batterie aus der durchstochenen Stelle am Boden der Batterie ausgestoßen. Im Vergleich zur vierten Testgruppe spuckte die Batterie in der sechsten Testgruppe 24 Sekunden nach dem Eindringen des Nagels in die Batterie eine kleine Menge Rauch und Elektrolyt aus. In der vierten und sechsten Testgruppe darf die Zeit, bis die Batterie Rauch ausstößt, 5 Sekunden nicht überschreiten. In diesen beiden Testgruppen fiel die Batteriespannung nach dem Durchstechen schnell ab und fiel innerhalb von 0 s auf 90 V.

In den beiden Testgruppen erreichte der Temperaturmesspunkt auf der Batterieoberfläche zwischen 80 und 110 Sekunden nach dem Eindringen des Nagels den Maximalwert, der im Allgemeinen im Bereich von 110 bis 130 °C lag, und dann sank die Temperatur langsam ab. Im Vergleich zum ersten Testtyp sank die Batteriespannung beim zweiten Testtyp schneller und die Oberflächentemperatur der Batterie war höher, was darauf hindeutet, dass der zweite Testtyp mehr Reaktionswärme, Joule-Wärme und Polarisationswärme erzeugte Der austretende Rauch zeigte mehr Nebenreaktionswärme.

Bei der dritten Testart kam es in der zweiten und dritten Testgruppe zu sehr schweren Explosionen. Die zweite Testgruppe begann 3 Sekunden nach dem Durchstechen Rauch auszustoßen, und 5 Sekunden später waren das Explosionsgeräusch und weiterer Rauch zu hören. Dann stieß die Batterie weiterhin Rauch aus, und der Elektrolyt explodierte sofort und spritzte auf die Innenwand der Testkammer. Bei der dritten Testgruppe veränderte sich die Batterie innerhalb von 15 Sekunden nach dem Durchstechen der Batterie nicht und begann dann, eine kleine Menge Rauch auszustoßen. In der 34. Sekunde nach dem Durchstoßen der Batterie explodierte die Batterie plötzlich heftig, die Testkammer füllte sich augenblicklich mit Rauch und der Elektrolyt spritzte auf die Innenwand der Testkammer.

Beim Nagelpenetrationstest der zweiten und dritten Gruppe nahm die Änderung der Batteriespannung nach dem Durchstechen schnell ab und sank innerhalb von 0 Sekunden nach dem Durchstechen auf 30 V. Die Oberflächentemperatur der zweiten und dritten Batteriegruppe stieg nach dem Eindringen der Nägel schnell an. In den beiden Testgruppen erreichte die Temperatur der Batterieoberfläche zwischen 50 und 150 Sekunden nach dem Eindringen des Nagels den Maximalwert zwischen 160 und 200 °C und sank dann langsam ab. Es zeigt sich, dass die erreichbare Temperatur umso höher ist, je intensiver die Reaktion der Batterie nach dem Eindringen des Nagels ist. Unter den drei Testarten sank die Batteriespannung im dritten Testtyp am schnellsten und die Temperatur stieg am stärksten an, sodass die Reaktionswärme, die Verkokungswärme und die Polarisationswärme am stärksten erzeugt wurden, während im dritten Testtyp die thermische Durchgehreaktion erfolgte Der Test war der schwerwiegendste, was darauf hindeutet, dass der dritte Testtyp die meiste Nebenreaktionswärme erzeugte.

Durch die Analyse der oben genannten drei Arten von Testergebnissen kann festgestellt werden, dass der Einfluss der Nagelpenetration auf das starke thermische Durchgehen zylindrischer Lithium-Eisenphosphat-Batterien eine gewisse Zufälligkeit aufweist und die Ursache der Zufälligkeit mit der zufälligen Kontaktschnittstelle zusammenhängt entsteht, nachdem die Batterie durchstochen wurde. Der gute Kontakt zwischen der Nadel und der Elektrodeneinheit innerhalb der Batterie sowie die Anzahl der Elektrodeneinheiten, die an der Entladung beteiligt sind, nachdem die Batterie durchstochen wurde, führen zu unterschiedlich schwerwiegenden thermischen Instabilitätssituationen. Es ist ersichtlich, dass eine Beschädigung der Batterie durch das Eindringen von Nägeln nicht nur die Batterie selbst beschädigt, sondern auch die Gegenstände um die Batterie herum beeinträchtigt, wenn die Batterie explodiert.

4.Fazit

In dieser Arbeit wurden bei einer anfänglichen Raumtemperatur von 20 °C mit einer Φ 5 mm Wolframstahlnadel sechs Gruppen von Nadeltests an der zylindrischen 32650 Lithiumphosphat-Eisenbatterie im Vollladezustand (SOC-1) durchgeführt, um zu beobachten die Änderungen der Batteriespannung und der Oberflächentemperatur während der Nadel. Den Testergebnissen zufolge kann festgestellt werden, dass die schwere thermische Ausreißer Der durch das Eindringen des Nagels verursachte Schaden ist zufällig, und die zufällige Kontaktschnittstelle zwischen der Nadel und der beschädigten Elektrodeneinheit führt zur Zufälligkeit des schweren thermischen Durchgehens. Zu den entsprechenden Eigenschaften einer thermisch außer Kontrolle geratenen Batterie gehören Elektrolytaustritt, Rauchentwicklung und Explosion.

Nach der Nagelpenetration, sinkt die Spannung der Batterie auf 0 V. Die Spannung der Batterie, aus der nur Elektrolyt austritt, sinkt langsam, und die Spannung der Batterie, die explodiert oder Rauch ausstößt, sinkt schnell. Durch das Eindringen von Nägeln steigt die Temperatur der Batterie. Je intensiver die thermische Durchgehreaktion der Batterie ist, desto schneller und höher steigt die Temperatur. Der durch das Eindringen von Nägeln verursachte Schaden an der Lithium-Eisenphosphat-Batterie ist tödlich. Es wird vorgeschlagen, dass in der zukünftigen Forschung, Entwicklung und Verwendung der Batterie das zylindrische Batteriestrukturdesign in der Lage sein sollte, das Eindringen von Nägeln zu verhindern, oder dass das Eindringen von Nägeln keinen Schaden anrichtet, und dass auch das Äußere der Batterie geschützt werden sollte, um das Eindringen von Nägeln zu verhindern vor einer Punktion.