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Thermischer Durchbruchtest für Lithiumbatterien

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Thermischer Durchbruchtest für Lithiumbatterien

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Bei den derzeit handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterieprodukten geht der Lade- und Entladevorgang der Batterie häufig mit einer Wärmeentwicklung einher. Wenn die Batterie während des Lade- und Entladevorgangs zu viel Wärme erzeugt und diese nicht rechtzeitig abführen kann, kann es aufgrund der Wärmestauung während des Lade- und Entladevorgangs zu einer erheblichen Verschlechterung und Beeinträchtigung der Batterieleistung kommen. Wenn die Temperatur so weit ansteigt, dass der interne Separator der Batterie schmilzt und es zu einem Kurzschluss zwischen der positiven und der negativen Elektrode kommt, kann die Batterie eine Explosionsgefahr und andere Gefahren bergen. Daher ist die Untersuchung des Wärmeentwicklungsgesetzes und des thermischen Durchgehensverhaltens von Batterien während des Ladens und Entladens von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung der Sicherheit von Batterien.

Normalerweise erhöht sich die Temperatur einer Batterie während ihres Gebrauchs aufgrund des Wärmeaustauschs zwischen Luftkonvektion, Wärmeleitung und der Umgebung erheblich. Um die Sicherheitsleistung von Batterien zu untersuchen, ist es jedoch notwendig, das Wärmeentwicklungsverhalten von Batterien in extrem rauen Umgebungen - adiabatischen Umgebungen - zu berücksichtigen. In einer isolierten Umgebung findet kein Wärmeaustausch zwischen der Batterie und der Umgebung statt, und die während des Lade- und Entladevorgangs der Batterie erzeugte Wärme ist vollständig auf das Batteriesystem beschränkt, was mit größerer Wahrscheinlichkeit zu Sicherheitsrisiken für die Batterie führt.

Die Wärmeentwicklung während des Lade- und Entladevorgangs von Lithium-Ionen-Batterien lässt sich grob in zwei Teile unterteilen: reversible Wärme (Qrev) und irreversible Wärme (Qirr). Durch die Messung des thermischen Effekts einer Batterie im adiabatischen Zustand kann nicht nur das Gesetz der Wärmeerzeugung der Batterie während des Lade- und Entladevorgangs verstanden werden, sondern auch die Energiebilanz der Batterie während des Lade- und Entladevorgangs berechnet werden. Die Forscher verwendeten verschiedene Methoden wie Kalorimetrie und Elektrochemie, um die reversible und irreversible Wärme von Batterien zu ermitteln, und entwickelten ein Wärmeerzeugungsmodell und eine thermische Simulationsmethode für Autobatterien. Die beschleunigte Kalorimetrie ist eine Methode zur Prüfung und Analyse der thermischen Sicherheit von Proben unter annähernd adiabatischen Bedingungen.

Mit dem weit verbreiteten Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien steigen einerseits die Anforderungen an die Lebensdauer und die Sicherheit der Batterien, andererseits müssen bei der Kaskadennutzung von Batterien auch deren Sicherheitseigenschaften berücksichtigt werden. Daher ist es dringend erforderlich, die Sicherheitseigenschaften von Batterien im Lebenszyklus zu untersuchen und die Sicherheitsbedingungen und das Verhältnis der Energieeffizienz von Batterien während ihres gesamten Lebenszyklus zu klären. Bisher gab es viele Studien über die thermischen Eigenschaften neuer Batteriezellen, aber nur wenige Studien über die Auswirkungen der Alterung auf die Batteriesicherheit. Die allgemeine Alterung kann in zwei Arten unterteilt werden: zyklische Alterung und Lageralterung.

Die Forscher untersuchten mit Hilfe der Kalorimetrie die Alterungseigenschaften und das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien bei verschiedenen Lagerungsprozessen. Sie fanden heraus, dass Schlüsselparameter des thermischen Durchgehens, wie die exotherme Starttemperatur und die Starttemperatur des thermischen Durchgehens, mit der Batteriealterung zunehmen, während die Geschwindigkeit des thermischen Durchgehens abnimmt. Die Forscher untersuchten auch das Verhalten von funktionierenden und defekten Lithium-Ionen-Batterien bei zyklischer Alterung, Hochtemperaturlagerung und Lagerung bei Raumtemperatur und stellten Gasexplosionen und giftige Gase fest, die nach dem Missbrauch entstehen.

In diesem Artikel werden Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien als Forschungsobjekt verwendet, ein Beschleunigungskalorimeter (ARC) eingesetzt, um eine adiabatische Umgebung zu schaffen, die spezifische Wärmekapazität, die Wärmeentwicklung und das thermische Durchgehen der Batterien getestet und die thermischen Eigenschaften untersucht. Untersuchung der Lade- und Entladevorgänge und des thermischen Durchgehens von Batterien in adiabatischen Umgebungen unter verschiedenen Alterungszyklen und Untersuchung des Einflusses der Alterung auf die thermischen Eigenschaften von Batterien.

1 Prüfung

Bei der Batterie handelt es sich um eine Softpack-Batterie mit Lithium-Kobalt-Oxid (LCO) als positiver Elektrode und Mesophase-Kohlenstoff-Mikrokugeln (CMS) als negativer Elektrode, mit einer Kapazität von 6,1 Ah und einer Arbeitsspannung von 3,6 V

1.1 Elektrochemische Leistungsprüfung

Prüfung der Kapazität

Die Prüftemperatur beträgt (25 ± 5) ℃, und für die Prüfung wird ein Lade- und Entladetestsystem verwendet. Die Batterie wird mit einem Strom von 0,1 C auf 4,2 V aufgeladen, dann auf Konstantspannungsladung mit einem vollen Strom von höchstens 0,01 C umgeschaltet und 10 Minuten lang stehen gelassen. Die Batterie wird mit einem konstanten Strom von 0,1 C auf 2,75 V entladen und die Lade- und Entladezyklen dreimal wiederholt, um eine Entladekapazität von 6,1 Ah zu erhalten.

Schleifenprüfung

Laden Sie die Batterie bei einer Umgebungstemperatur von (25 ± 5) ℃ mit einem Strom von 0,5 C auf 4,1 V auf, schalten Sie dann auf eine konstante Spannung um, bis der Strom kleiner oder gleich 0,01 C ist, lassen Sie sie 10 Minuten lang stehen und entladen Sie sie dann mit einem konstanten Strom von 1 C auf 2,75 V. Zyklieren Sie sie 500, 1000 und 1500 Zyklen nach diesem System.

DC-Innenwiderstandsprüfung

Entladen Sie die Batterie bei einer Umgebungstemperatur von (25 ± 5) ℃ mit einem konstanten Strom von 0,5 C und führen Sie alle 12 Minuten der Entladung einen kontinuierlichen DC-Innenwiderstandstest durch (10% DOD). Bei einem Strom von 1,5 C für eine Impulsentladung von 10 Sekunden werden die Spannungswerte vor und in der 5. Sekunde der Impulsentladung genommen, um den Gleichstrom-Innenwiderstand R der Batterie bei verschiedenen Ladezuständen zu berechnen.

1.2 Prüfung der thermischen Eigenschaften der Batterie

Prüfung der spezifischen Wärmekapazität

Führen Sie eine Prüfung der spezifischen Wärmekapazität der Batterie in einem beschleunigten Kalorimeter durch. Die Batterie befindet sich stets in einer adiabatischen Umgebung, die durch ein Heizelement mit konstanter Leistung beheizt wird, und die Temperaturkurve der Batterie über die Zeit wird aufgezeichnet. Die Temperaturanstiegsrate der Batterie im adiabatischen Zustand wird durch lineare Anpassung der Kurve ermittelt. Um die Genauigkeit der Messung zu gewährleisten, sollten zwei Batterieproben entnommen und der Durchschnitt der beiden Tests ermittelt werden.

Prüfung der Wärmeentwicklung

Legen Sie frische oder zyklische Batterien in ein beschleunigtes Kalorimeter, gleichen Sie die Temperatur zwischen der Batterie und der adiabatischen Kammer aus, und starten Sie das Lade- und Entladesystem. Das Laden und Entladen erfolgt in einer adiabatischen Umgebung bei unterschiedlichen Betriebsströmen, und die Oberflächentemperatur der Batterie sowie der zeitliche Verlauf der Batteriespannung während des Lade- und Entladevorgangs werden erfasst

Thermischer Durchbruchtest

Führen Sie einen thermischen Durchbruchtest an der Batterie bei 100 % SOC in einem beschleunigten Kalorimeter durch, lassen Sie den H-W-S-Modus in einem adiabatischen Zustand laufen, um die Batterie zu erwärmen, und ermitteln Sie gleichzeitig die Selbsterwärmungsrate der Batterie. Wenn die Selbsterhitzungsrate der Batterie ≥ 0,02 ℃/min ist, wird davon ausgegangen, dass eine Selbsterhitzungsreaktion in der Batterie stattgefunden hat. Das Gerät stellt die aktive Erwärmung ein und geht in den adiabatischen Modus über, in dem es dem Temperaturanstieg der Batterie folgt, bis es zum thermischen Durchgehen kommt. Gleichzeitig werden die Oberflächentemperatur der Batterie und die Kurve der zeitlichen Veränderung der Batteriespannung während des thermischen Durchgehens aufgezeichnet.

2 Schlussfolgerung

Die Wärmeentwicklung und das thermische Durchgehen während des Lade- und Entladevorgangs von LCO/CMS-Batterien wurden mit einem adiabatischen beschleunigten Kalorimeter untersucht. Wir untersuchten das Wärmeentwicklungsverhalten von Batterien bei unterschiedlichen Lade- und Entladeraten und analysierten die Auswirkungen des Arbeitsstroms und der zyklischen Alterung auf die Wärmeentwicklungseigenschaften von Batterien. Mit der zyklischen Alterung der Batterie nehmen der Innenwiderstand und der Kapazitätsverlust der Batterie zu, und sowohl die durchschnittliche Wärmeerzeugungsrate beim Laden und Entladen als auch die Gesamtwärmeerzeugung der Batterie steigen.

Beim Vergleich des thermischen Durchgehensverhaltens von Batterien vor und nach der zyklischen Alterung wurde festgestellt, dass die Starttemperatur der Selbsterhitzung nach der zyklischen Alterung leicht anstieg, während die Starttemperatur des thermischen Durchgehens im Wesentlichen unverändert blieb. Die Zeit von der Selbsterhitzung bis zum thermischen Durchgehen der Batterien wurde jedoch verkürzt. Für das thermische Durchgehverhalten von Batterien ist es nicht nur notwendig, auf wichtige Temperaturpunkte wie die Starttemperatur der Selbsterhitzung und die Temperatur des thermischen Durchgehens zu achten, sondern auch die Wärmeerzeugungsrate und die Zeit des thermischen Durchgehens genau zu messen, um das thermische Durchgehverhalten von Batterien während ihres gesamten Lebenszyklus zu bewerten.

Durch die Analyse der Veränderungen der Wärmeerzeugung und der Wärmeerzeugungsrate während des Lade- und Entladevorgangs von Batterien unter verschiedenen Zyklusalterungszyklen werden die Auswirkungen der Entropie- und Enthalpieveränderungen auf Batterien analysiert. Die Änderungen der thermodynamischen Parameter werden als zerstörungsfreie Prüfmethode verwendet, um den Grad der Batteriedegradation zu ermitteln und den Gesundheitszustand der Batterie zu bewerten.