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Über den Lithium-Batterie-Quetschtest

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Über den Lithium-Batterie-Quetschtest

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Aufgrund von Einschränkungen bei den Materialien, der Batterietechnologie und den Herstellungsverfahren waren Lithium-Ionen-Batterien während ihrer Verwendung stets mit einem erheblichen Brandrisiko verbunden. Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien bei Kollisionen und Druckbelastung stand schon immer im Mittelpunkt des Interesses.

Im Allgemeinen werden Brände, die durch äußere Kräfte in Lithium-Ionen-Batterien ausgelöst werden, im Wesentlichen durch interne Kurzschlüsse aufgrund starker Verformung und Beschädigung verursacht, die zu intensiven elektrochemischen Reaktionen und hoher Wärmeentwicklung im Inneren der Batterie führen, was letztlich zu einem thermischen Durchgehen und einer Verbrennungsexplosion in der Batterie führt.

Ein Teil der Experimente untersuchte die mechanische Integrität zylindrischer Lithium-Ionen-Batterien und ermittelte durch Experimente und numerische Simulationen das Fehlerverhalten der Batterien unter verschiedenen externen mechanischen Kräften. Einige Forscher haben das thermische Durchgehverhalten von 18650er Lithium-Ionen-Batterien bei verschiedenen Zerkleinerungsmethoden untersucht. Selbst wenn die Batterie bei der Kompression nicht beschädigt wird oder bricht, kann es dennoch zu einem katastrophalen Unfall kommen. Zahlreiche Forschungsberichte konzentrieren sich mehr auf die grundlegende Theorie der thermischen Durchzündung in Lithium-Ionen-Batterien, während es relativ wenig Forschung über die Sicherheitsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien beim Zerdrücken gibt.

Gegenwärtig gibt es Normen für die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, in denen spezifische Quetschversuchsmethoden für Lithium-Ionen-Batterien und Batteriepacks vorgeschlagen werden. Die vorgeschriebene Quetschgeschwindigkeit beträgt (5 ± 1) mm/s, und die Quetschverformung beträgt 30 %. Dies unterscheidet sich erheblich von den Aufprall- und Druckbedingungen, denen Batterien bei tatsächlichen Verkehrsunfällen ausgesetzt sind, und auch die Bewertung der Brandsicherheit von Batterien in den Normen ist relativ vage. Nur Batterien, die wirklich verbrannt oder explodiert sind, gelten als untauglich, und die Brandgefahr von Batterien, die explodiert oder verbrannt sind, kann nicht speziell bewertet werden. Daher können sie die Anforderungen an die Bewertung der Brandsicherheit, die Bewertung der Sicherheit am Brandort und die Branduntersuchung nicht erfüllen. Die Bewertungskriterien der UL 1642 sehen außerdem vor, dass Batterien nur dann als unqualifiziert gelten, wenn sie einen Brand oder eine Explosion erlitten haben.

Daraus wird ersichtlich, dass die bestehenden Prüfnormen nur Kriterien für die Bewertung der Eignung von Batterieprodukten sind und nicht für die Bewertung der Brandgefahr von Batterien verwendet werden können. Der Autor dieses Artikels beabsichtigt, systematische Kompressionsexperimente an handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien durchzuführen, um die Auswirkungen verschiedener Kompressionsbedingungen auf die Brandsicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu untersuchen und so eine Referenz für die Risikobewertung von Kompressionsbränden bei Lithium-Ionen-Batterien zu schaffen.

1 Prüfung

1.1 Testobjekt

18650-Lithium-Ionen-Akku, SOC 50%

ICRIB1 Lithium-Kobalt-Oxid-Batterie

ICRIB2 Lithium-Kobalt-Oxid-Batterie

TCLIB3 Nickel-Kobalt-Mangan-Lithium-Batterie

1.2 Testmethoden

Der Versuch wurde mit der horizontalen Batteriequetsch-Nagel-Penetrationsprüfmaschine DGBELL BE-6047AP durchgeführt. Die Batterie wurde in der Prüfmaschine mit einer Vorrichtung so fixiert, dass die Richtung der Elektrodenplatte der Batterie senkrecht zur Druckrichtung verläuft.

Die vier im Experiment verwendeten Quetschgeschwindigkeiten betrugen 50 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min bzw. 400 mm/min, mit Quetschverformungsvariablen von 10 %, 20 %, 30 %, 40 % und 50 %. Quetschen Sie die Batterie bei einer festgelegten konstanten Quetschgeschwindigkeit, hören Sie auf zu quetschen, wenn die Batterieverformung den festgelegten Wert erreicht, und beobachten Sie die Batterie.

Während des Experiments wurde das K-Typ Thermoelement des Temperatursensors mit Hochtemperatur-Isolierband an der positiven Elektrode der Lithium-Ionen-Batterie befestigt. Ein maßgeschneidertes Temperaturerfassungsgerät wurde verwendet, um die vom Thermoelement gemessenen Temperaturdaten zu erfassen und die Temperaturänderungen der positiven Elektrode während des Experiments aufzuzeichnen.

2 Ergebnisse und Diskussion

2.1 Der Einfluss der Brechverformungsvariablen

Bei einer Quetschgeschwindigkeit von 50 mm/min werden die Temperaturänderungen der positiven Elektrodenoberfläche jeder Batterie im Laufe der Zeit im Quetschexperiment mit verschiedenen Verformungsvariablen aufgezeichnet.

Aus den experimentellen Daten geht hervor, dass die Oberflächentemperatur der positiven Elektrode von ICRIB1 nach dem Zusammendrücken keine signifikante Veränderung erfährt, wenn die Druckverformung weniger als 20 % beträgt. Erst wenn die Druckverformung 30 % erreicht, steigt die Oberflächentemperatur der positiven Elektrode von ICRIB1 deutlich an, und der Temperaturanstieg beschleunigt sich. Die Temperatur erreicht ihren Höchstwert innerhalb von 90 Sekunden und sinkt dann langsam ab

Die Temperaturänderung an der Oberfläche der positiven Elektrode von ICRIB2 ist ähnlich wie die von ICRIB1, und die Temperaturänderung ist nicht signifikant, wenn die Quetschverformung geringer ist als die der Oberfläche der positiven Elektrode von ICRIB2. Wenn die Quetschverformung 30% beträgt, steigt die Extremtemperatur von IRIB1, mit einer maximalen Temperatur von etwa 37°C. Die exotherme Zeit ist länger, und die Temperatur sinkt langsam.

Wenn die Quetschverformung 40 % beträgt, steigt die Temperatur der positiven Elektrode der Batterie schnell an und erreicht ein Maximum von etwa 57 ℃, und eine große Menge Elektrolyt fließt aus der positiven Elektrode. Wenn die Verformungsvariable für die Quetschung auf 50 % gesetzt wird, ist der Trend der Temperaturänderung der positiven Elektrode der Batterie ähnlich wie bei der Verformungsvariablen von 40 %, wobei die höchste Temperatur auf etwa 63 ℃ ansteigt und eine große Menge Elektrolyt ausfließt.

Die Temperaturveränderung an der Oberfläche der positiven Elektrode TCLIB3 unterscheidet sich deutlich von derjenigen von ICRIB1 und ICRIB2. Wenn die Quetschverformung unter 10 % liegt, gibt es keine signifikante Änderung der Oberflächentemperatur der positiven TCLIB3-Elektrode. Wenn die Verformung 20 % beträgt, steigt die Temperatur der positiven Elektrode von TCLIB3 deutlich an und erreicht eine maximale Temperatur von etwa 47 ℃, und eine kleine Menge Elektrolyt fließt aus.

Bei einer Quetschverformung von 30 % und 40 % steigt die Temperatur der positiven Elektrode leicht an und sinkt dann langsam ab. Nach dem Lösen des Quetschkopfes steigt die Temperatur wieder an. Wenn die Quetschverformung 50 % beträgt, bricht die Batterie nach dem Zusammendrücken, und die Temperatur der positiven Elektrode steigt schnell an und erreicht einen Höchstwert von etwa 95℃, danach sinkt sie. Wenn der Quetschkopf losgelassen wird, steigt die Temperatur wieder an.

Wenn die Kompressionsverformung von Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien mit positiver Elektrode innerhalb von 20 % liegt, gibt es keine offensichtlichen Temperaturanomalien. Nur wenn die Druckverformung mehr als 30% beträgt, kann sie sich leicht erhitzen und eine gewisse Brandgefahr darstellen. Die Batterie mit positiver Elektrode aus ternärem Material ist empfindlich gegenüber Verformungsänderungen durch Druck. Bei einer Verformung von 20 % steigt die Temperatur der positiven Elektrode deutlich an.

Die höchste Temperatur der positiven Elektrode in der Crush-Experiment kann etwa 95 ℃, die höher ist als die 66 ℃ der Lithium-Kobalt-Oxid positive Elektrode Batterie erreichen. Dies deutet darauf hin, dass die Batterie mit positiver Elektrode aus ternärem Material ein größeres Brandrisiko birgt, wenn sie einer externen Kompression ausgesetzt wird. Die Kompressionsergebnisse unter verschiedenen Verformungsvariablen zeigen, dass für die Bewertung der Brandsicherheit von Lithium-Ionen-Batterien in Kompressionsversuchen die Verformungsvariable auf ≥ 30 % festgelegt werden sollte.

2.2 Einfluss der Stauchungsgeschwindigkeit

Setzen Sie die Verformungsvariable auf 30 % und beobachten Sie die Temperaturveränderung der positiven Elektrodenoberfläche jeder Batterie im Laufe der Zeit bei verschiedenen Stauchungsgeschwindigkeiten.

Die Oberflächentemperatur der positiven Elektrode von ICRIB1 steigt nach dem Zusammendrücken schnell an, und es kann beobachtet werden, dass eine große Menge Elektrolyt während des Experiments ausfließt. Bei einer Quetschgeschwindigkeit von 100 mm/min, 200 mm/min und 400 mm/min liegen die höchsten Temperaturen bei 68 ℃, 81 ℃ bzw. 71 ℃. Die Brechgeschwindigkeit hat wenig Einfluss auf den Temperaturanstieg von ICRIB1, und der Temperaturanstieg der positiven Elektrode ist bei verschiedenen Brechgeschwindigkeiten und der gleichen Brechverformungsrate im Wesentlichen gleich.

Nachdem die Batteriekapazität von 2,2 Ah bei ICRIB1 auf 2,6 Ah bei ICRIB2 erhöht wurde, reagiert die Batterie empfindlicher auf die Quetschgeschwindigkeit, und die Oberflächentemperatur der positiven Elektrode steigt mit der Erhöhung der Quetschgeschwindigkeit weiter an. Wenn die Brechgeschwindigkeit von 100 mm/min auf 400 mm/min ansteigt, erhöht sich die maximale Oberflächentemperatur der positiven Elektrode von ca. 65 °C auf ca. 95 °C, begleitet von einer großen Menge an ausfließendem Elektrolyt.

Die Temperaturänderung an der positiven Elektrodenoberfläche von TCLIB3 ist ähnlich wie bei ICRIB2, und je höher die Brechgeschwindigkeit, desto höher der Temperaturanstieg. Bei einer Quetschgeschwindigkeit von 50 mm/min, 100 mm/min und 400 mm/min liegen die höchsten Temperaturen bei 65 ℃, 78 ℃ bzw. 106 ℃ und damit höher als die höchste Temperatur von ICRIB2 unter denselben Versuchsbedingungen. Bei der Quetschgeschwindigkeit von 200 mm/min explodierte TCLIB3 und erzeugte eine große Menge an weißem Rauch, und das interne Diaphragma und der Elektrolyt spritzten aus der positiven Elektrode. Aufgrund der Beschädigung der positiven Elektrode konnten keine vollständigen Temperaturänderungsdaten gesammelt werden.

Die Versuchsergebnisse für unterschiedliche Quetschgeschwindigkeiten zeigen, dass die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterien umso stärker ansteigt, je höher die Quetschgeschwindigkeit ist, und dass die Brandgefahr größer ist. Von den drei Arten von Lithium-Ionen-Batterien weist die Batterie mit positiver Elektrode aus ternärem Material den stärksten Temperaturanstieg auf, wenn der Grad der Kompression zunimmt, was auf die größte Gefahr hinweist.

Aus dem experimentellen Vergleich verschiedener Stauchungsgeschwindigkeiten geht hervor, dass bei der Bewertung der Brandsicherheit von Lithium-Ionen-Batterien die Stauchungsgeschwindigkeit auf ≥ 200 mm/min festgelegt werden sollte, um die Unterschiede zwischen verschiedenen Lithium-Ionen-Batterien besser beobachten zu können. Gleichzeitig können die Temperaturveränderungen an der Oberfläche von Lithium-Ionen-Batterien als wichtige Grundlage für die Beurteilung der Brandsicherheit dienen, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien, deren Oberflächentemperatur während des Quetschens auf über 100 ℃ ansteigen kann, besteht ein erhebliches Risiko einer natürlichen Verbrennung und Explosion.

3 Schlussfolgerung

Lithium-Ionen-Batterien sind anfällig für interne Kurzschlüsse unter äußerer Kompression, was zu Entzündung, Verbrennung und sogar Explosion führen kann. Um die Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien unter Kompressionsbedingungen zu untersuchen, wurden drei Typen von Lithium-Ionen-Batterien ausgewählt, um Experimente zur Kompressionszündung unter verschiedenen Kompressionsverformungsgrößen und Kompressionsgeschwindigkeiten durchzuführen. Die folgenden Schlussfolgerungen wurden gezogen:

Wenn die Druckverformung von Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien mit positiver Elektrode innerhalb von 20 % liegt, gibt es keine offensichtlichen Anomalien bei der Batterietemperatur, und die Gefahr ist relativ gering;

Erst wenn die Verformung 30 % erreicht, kann es leicht zu einer Hitze- und Temperaturentwicklung kommen, die eine gewisse Brandgefahr darstellt.

Wenn die Verformung der Batterie mit positiver Elektrode aus ternärem Material 20 % beträgt, kommt es zu einem erheblichen Temperaturanstieg, und die höchste erreichte Temperatur ist deutlich höher als die der Batterie mit positiver Elektrode aus Lithium-Kobalt-Oxid. Wird die Batterie von außen zusammengedrückt, besteht eine größere Brandgefahr.

Wenn der Grad der Komprimierung von Lithium-Ionen-Batterien zunimmt, steigt auch der Temperaturanstieg, und die Brandgefahr nimmt zu.

Im Vergleich zu Lithium-Kobalt-Oxid-Batterien mit positiver Elektrode haben Batterien mit positiver Elektrode aus ternärem Material einen stärkeren Temperaturanstieg mit zunehmender Quetschgeschwindigkeit, erreichen höhere Temperaturen und sind anfälliger für Verbrennungen und Explosionen.

Bei der Bewertung der Brandsicherheit von Lithium-Ionen-Batterien durch Quetschversuche sollte die Verformungsvariable auf ≥ 30 % und die Quetschgeschwindigkeit auf 200 mm/min festgelegt werden. Gleichzeitig kann die Temperaturänderung an der Oberfläche von Lithium-Ionen-Batterien als wichtige Grundlage für die Beurteilung der Brandsicherheit dienen.