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Lithium-Ionen-Batterie Nageldurchdringungstest

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Lithium-Ionen-Batterie Nageldurchdringungstest

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Die Bedeutung des Nageldurchdringungstests

Der Nageldurchdringungstest ist ein Testverfahren für interne Kurzschlüsse, mit dem die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien in Bezug auf interne Kurzschlüsse geprüft wird. Mit Hilfe von Stahlnägeln wird die Batterie durchdrungen, ein interner Kurzschluss simuliert und ein Test durchgeführt, um festzustellen, ob die Batterie raucht, Feuer fängt oder bricht. Darüber hinaus ist der Nageldurchdringungstest nicht nur ein Test zur Bestätigung der Sicherheit der Batterie, sondern auch ein Test zum Verständnis der grundlegenden Eigenschaften der Batterie.

Unter normalen Bedingungen sind die positiven und negativen Elektrodenplatten von Lithium-Ionen-Batterien durch einen Polymer-Isolierfilm im organischen Elektrolyten - einen Separator - isoliert. In diesem Zustand wird durch das Einführen des Stahlnagels in das Innere der Lithium-Ionen-Batterie ein Kurzschluss zwischen den positiven und negativen Elektrodenplatten erzeugt, wodurch ein interner Kurzschlusstest erzwungen wird. Das Besondere an dieser Prüfmethode ist, dass die Prüfbedingungen wie Durchmesser, Material, Einführtiefe, Einführposition und Einführgeschwindigkeit der in die Batterie eingeführten Stahlnägel angepasst werden können.

Die Gefahr des Eindringens von Nägeln

Die Notwendigkeit der Nagelpenetrationstests bei Lithium-Ionen-Batterien bedeutet, dass sie anfällig für Kurzschlüsse in ihrem Inneren sind, und wenn ein Kurzschluss auftritt, sind sie in einem sehr gefährlichen Zustand. Lithium-Ionen-Batterien haben eine hohe Energiedichte, einen geringen Innenwiderstand und ermöglichen einen hohen Stromfluss, was sie sehr gefährlich macht. Im Allgemeinen werden interne Kurzschlüsse in Batterien während des Gebrauchs durch das Vorhandensein von leitenden Fremdkörpern während des Herstellungsprozesses oder durch externe Stöße oder Belastungen verursacht.

In der Praxis ist es nach der Herstellung eines Produkts schwierig, Maßnahmen gegen interne Kurzschlüsse in Steuersystemen zu ergreifen, einschließlich der Lade- und Entladeschaltungen von Batterien. Wenn ein interner Kurzschluss auftritt, wird im Inneren der Batterie ein enormer Kurzschlussstrom erzeugt, der wiederum Joule-Wärme erzeugt. Diese Wärme führt zu einer Reaktion der entflammbaren organischen Elektrolyte, wodurch Hochtemperaturgase entstehen und die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens steigt. Wenn es zu einem thermischen Durchgehen kommt, kann es zu Rauch und Feuer kommen, und in schweren Fällen kann die Batterie platzen, was eine Gefahr für die persönliche Sicherheit des Benutzers darstellt.

Aus Sicht des Benutzers ist die Gewährleistung der Sicherheit der Batterie entscheidend für die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien. Beim Nadeltest werden Stahlnägel in die Batterie eingeführt, die leicht einen internen Kurzschluss zwischen der positiven und negativen Elektrode verursachen können. Wenn der Nagel jedoch in die Batterie eingeführt wird, um ein Loch auf der Oberfläche der Batterie zu bilden, wird dieses Loch Gas mit hoher Temperatur freisetzen, was zu einer Änderung des internen Wärmeableitungszustands der Batterie führt, der von der tatsächlichen Situation des internen Kurzschlusses abweichen kann.

Stumpfer Nageltest

Bei der obligatorischen Prüfung des internen Kurzschlusses wird ein kugelförmiger Stift an der Spitze verwendet, eine Prüfmethode, die einen internen Kurzschluss (kleinen Kurzschluss) erzeugen kann, ohne eine Perforation der Batterieoberfläche zu verursachen, bekannt als Stumpfnageltest. Bei dieser Methode wird durch den Druck der Nägel ein Kurzschluss zwischen den Elektrodenmaterialien (positive und negative Elektrodenplatten) der Batterie erzeugt, was nur zu einer leichten Verformung der geprüften Batterie führt. Im Vergleich zum üblichen Nageldurchdringungstest kann mit dieser Methode ein Zustand erzeugt werden, der dem tatsächlichen internen Kurzschluss näher kommt.

Vorbereitung der Prüfkammer

Um diesen Test durchzuführen, ist das manuelle Einführen von Nägeln in Lithium-Ionen-Batterien definitiv nicht machbar. Versuchen Sie es nicht einfach - die Nägel könnten herausfliegen und Verletzungen an Hand und Körper verursachen. Daher ist es notwendig, dass wir eine Nadelprüfmaschine verwenden. Die hier verwendete DGBELL-Nageldurchdringungsprüfkammer (mit einem maximalen Druck von 20 k N und einem Hub von 200 mm) wurde so konstruiert, dass sie Stahlnägel mit zwei verschiedenen Durchmessern einbringen kann（ φ 3 mm φ 5 mm, 100 mm)

Sicherheitsmaßnahmen

Aus Sicherheitsgründen verfügt die Prüfmaschine über eine Explosionsschutzfunktion, um zu verhindern, dass Batteriebrände und Explosionen die Sicherheit des Prüfpersonals gefährden. Aus preislichen Gründen ist die Prüfmaschine wahlweise mit Hydraulikmotoren und Computer-Servomotoren ausgestattet. Die Hydraulikmotoren sind einfach zu bedienen, während die Servomotoren mit detaillierteren Prüfbedingungen eingestellt werden können, was zu einer höheren Genauigkeit führt. Ausgestattet mit einem Temperatur- und Spannungserfassungssystem werden die Temperaturdaten der Batterie über Thermoelemente des Typs K erfasst, Plug and Play, mit einem Messbereich von 0-600 ℃. Der Spannungserfassungsbereich liegt bei 0-50 V. Die Testbox ist mit Halterungen ausgestattet, die Batterien und Stahlnadeln verschiedener Größen befestigen können. Die Einführgeschwindigkeit des Nagels ist von 0,1 bis 80 mm/s einstellbar.

Verwandte Vorsichtsmaßnahmen

Hier werden drei verschiedene Typen von gestapelten Batterien getestet (300 m Ah, 1000 m Ah, 2000 m Ah). Die zu messenden Daten sind wie folgt:

Die Veränderung der Batterieklemmenspannung über die Zeit

Oberflächentemperatur der Batterie

Veränderungen des Aussehens und der Form der Batterie nach dem Eindringen des Nagels

Vor der Durchführung des Experiments müssen sorgfältige Brandschutz- und Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, wie z. B. das Verhindern von Spritzern, das Freihalten eines ausreichenden Platzes für die Prüfmaschine und das Sicherstellen, dass das Feuerlöschsystem normal funktionieren kann.

Unterschiede durch die Bedingungen der Nagelpenetration

Auf der Grundlage verschiedener Versuchsergebnisse, einschließlich der oben genannten, lassen sich die folgenden Fakten ableiten.

(1) An der Einstichstelle fällt die Klemmenspannung deutlich ab und sinkt allmählich auf 0 V. Wenn die Spannung bis zu einem gewissen Grad abfällt, kommt es zu erheblichen Schwankungen in der Spannungskurve.

(2) In der Phase signifikanter Spannungsänderungen von der Einstichstelle zur Klemme variieren die Prüfergebnisse verschiedener Batterietypen und Nadelzustände ebenfalls, aber die Klemmenspannung fällt nach 10-20 Sekunden auf 0 V.

(3) Bei der Prüfung von Batterien mit gleicher Kapazität ist die Änderung der Klemmenspannung umso größer, je dicker der Nagel ist.

Messung der Oberflächentemperatur der Batterie

Nach dem Einstechen des Nagels kann die Oberflächentemperatur der Stapelbatterie mit Hilfe eines Temperaturerfassungssystems über die Zeit gemessen werden. Mit φ wird die Änderung der Oberflächentemperatur während des Durchstoßtests einer 2000-mAh-Stapelbatterie mit einem 5-mm-Stahlnagel gemessen.

Temperaturanstieg nach Nageleinschlag

Bei der Durchstichprüfung einer 2000-m-Ah-Stapelbatterie mit einem 5-mm-Stahlnagel kam es zu einem Begleitfeuer und einer Temperatur von über 200 ℃. Außerdem brach bei der Prüfung von 1000-m-Ah-Batteriemustern φ ein Feuer aus, als ein 3-mm-Stahlnagel eingestochen wurde. Mit φ Beim Einstichtest mit einem 5-mm-Stahlnagel kam es nicht nur zu einem Brand, sondern auch zu einem deutlichen Anstieg der Batterietemperatur. Darüber hinaus haben wir mehrere Batterieproben mit Stahlnägeln mit unterschiedlichen Durchmessern getestet, und der Trend des Temperaturanstiegs über die Zeit ist ähnlich wie in der obigen Abbildung. Außerdem kann die höchste gemessene Temperatur für verschiedene Batteriezellen auch unter 100 ℃ liegen.

Zusammenfassung

Bei diesem Test wird durch Kurzschluss der positiven und negativen Elektroden die gespeicherte elektrische Energie im Inneren der Batterie sofort in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch genügend Wärme erzeugt wird, um den Elektrolyt zum Brennen und Explodieren zu bringen. Aus energetischer Sicht ist die Hitze, die beim Entzünden von Benzin entsteht, fast die gleiche. Das ist ein gefährlicher Test! Ich glaube, Sie haben bereits ein gewisses Verständnis dafür, diesen Test nicht einfach durchzuführen. Als Sicherheitsbewertung für die Entwicklung und Herstellung von Batterien kann der Nageldurchdringungstest jedoch ohne großen finanziellen Aufwand durchgeführt werden, und die Messergebnisse können in die Produktion einfließen. Schließlich sind Lithium-Ionen-Batterien innerhalb des vom Hersteller angegebenen Nennbereichs sicher zu verwenden. Eine Überschreitung des Nennbereichs, z. B. durch wiederholtes Überladen oder Entladen, kann dazu führen, dass die Batterie Feuer fängt oder beschädigt wird.