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Sicherheitstest zur Durchdringung von Lithium-Ionen-Batterien mit Nägeln - Teil 1

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Sicherheitstest zur Durchdringung von Lithium-Ionen-Batterien mit Nägeln - Teil 1

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Das Zusammendrücken von Strombatterien durch scharfe Gegenstände ist die Hauptform der Schäden, die durch Autounfälle verursacht werden, und es ist auch eine sehr schwere Arbeitsbedingung. In schweren Fällen können Lithium-Ionen-Batterien explodieren und Schäden an Elektrofahrzeugen und sogar Personenschäden verursachen.

Um die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien unter den Bedingungen des Eindringens von Nägeln zu ermitteln, wurde bei diesem Test die DGBELL-Nageldurchdringungsprüfkammer verwendet und die zylindrische Lithium-Ionen-Batterie 18650 mit einer Wolframstahlnadel mit flachem Kopf und einem Durchmesser von 5 mm durchstochen.

Der Einfluss von vier Parametern (Ladezustand, Nageleindringgeschwindigkeit, Tiefe und Position) auf die Sicherheitsleistung von Lithium-Ionen-Batterien wurde erörtert, und das Phänomen des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien wurde beobachtet. Die Daten zur Charakterisierung von Temperatur, Leerlaufspannung und Belastung von Lithium-Ionen-Batterien vor und nach dem Test wurden aufgezeichnet. Die Testergebnisse zeigen, dass Lithium-Ionen-Batterien unter Nadelstichbedingungen signifikante Entwicklungsmuster aufweisen.

Bei Lithium-Ionen-Batterien kommt es nach einem Nadeleinstich nicht sofort zum thermischen Durchgehen, sondern sie haben eine gewisse Reaktionszeit; je höher der Ladezustand, desto tiefer der Nadeleinstich und desto wahrscheinlicher ist es, dass Lithium-Ionen-Batterien ein thermisches Durchgehen erleiden, was positiv mit dem Schweregrad des thermischen Durchgehens korreliert ist;

Je näher die Nadel am Plus- und Minuspol einer Lithium-Ionen-Batterie liegt, desto intensiver ist die Reaktion; es besteht kein signifikanter Zusammenhang zwischen der Akupunkturgeschwindigkeit und dem Auftreten eines thermischen Durchgehens. Schließlich wurden auf der Grundlage der Testergebnisse Vorschläge für den Transport, die sichere Verwendung und die Entwicklung von Frühwarnalgorithmen für Lithium-Ionen-Akkus gemacht.

1 Test Einführung

Für den Test werden zylindrische Lithium-Ionen-Batterien des Typs 18650 mit einer Nennkapazität von 1200 m Ah verwendet. Verwenden Sie ein Batterietestsystem, um Lithiumbatterien mit konstantem Strom und konstanter Spannung auf den für die Prüfung erforderlichen SOC zu laden und zu entladen.

Bei der Prüfung beträgt der Bereich 0-200 mm und der Kraftwert 2-20 kN, um den Prozess der Nadelstichbelastung zu simulieren. Es wird eine massive Wolframstahlnadel mit flachem Kopf und einem Durchmesser von 5 mm verwendet. In Anbetracht der Explosionsgefahr von Lithiumbatterien während der Nadelstichbelastung ist die Prüfkammer explosionsgeschützt.

Bei der Prüfung wurde der Einfluss von vier Faktoren berücksichtigt: SOC, Geschwindigkeit, Position und Tiefe, einschließlich vier Testreihen. Bei den Tests wurden die Stahlnadeln an drei Stellen eingeführt, nämlich oben, in der Mitte und unten an der Lithiumbatterie. Nach dem Durchstechen der Batterie mit einer Stahlnadel wird die Batterie 1 Stunde lang beobachtet und dann entfernt, um die aktuellen Testdaten zu speichern. Nach jedem Test lassen Sie die Batterie 30 Minuten lang ruhen, um die Temperatur im Inneren der Stahlnadel und der Testkammer zu überprüfen.

Warten Sie, bis die Temperatur wieder Raumtemperatur erreicht hat, bevor Sie mit dem nächsten Test fortfahren. Darüber hinaus wurden alle Testbedingungen mit der Methode der Kontrollvariablen kontrolliert, um den Einfluss unabhängiger Faktoren auszuschließen. Jeder Test sollte mindestens dreimal wiederholt werden, und die Daten des Tests mit guter Wiederholbarkeit sollten für die Forschung herangezogen werden, um die Zufälligkeit des Tests auszuschließen und die Genauigkeit der Testdaten zu gewährleisten.

2 Ergebnisse und Analyse der Nagelpenetrationstests

2.1 Analyse der Eigenschaften

Fünf verschiedene Ladezustände (SOC von 20%, 40%, 60%, 80% und 100%) von Lithiumbatterien wurden für die Nadeleinstichtests ausgewählt. Aufzeichnung der Endlast und der Zeitknoten des Klemmenspannungsabfalls von Lithiumbatterien unter verschiedenen SOC-Bedingungen.

Der Trend im vorderen Teil der Kurve unter den fünf Ladezuständen ist in etwa derselbe: zuerst eine lineare Wachstumsphase, dann eine langsame Wachstumsphase mit geringer Veränderung der Tragfähigkeit und schließlich eine Hochgeschwindigkeitsphase mit exponentiellem Wachstum. In der Anfangsphase der Testbelastung beginnt die Stahlhülle der Batterie, die Last zu tragen, und nach einer gewissen Dauerbelastung beginnt sie, die Lücken zwischen den inneren Kernschichten und dem innersten hohlen Teil zu komprimieren. Die anfängliche Laständerung ist also sehr gering, und nachdem die inneren Zwischenräume der Batterie verdichtet sind, steigt die Last schnell an. Die Last, die in dem Moment entsteht, in dem die Festigkeit des Batteriegehäuses versagt und es durchstoßen wird, wird als Bruchlast bezeichnet.

Tests haben gezeigt, dass es keine einfache Wachstumsbeziehung zwischen der Höchstlast und dem SOC gibt, und die maximale Höchstlast entspricht einem SOC von 60 %. Der mögliche Grund dafür ist, dass die Menge an Lithium, die in das negative Elektrodenmaterial eingebettet ist, mit dem Anstieg des SOC zunimmt, so dass Batterien mit einem SOC von 60 % im Vergleich zu Batterien mit einem SOC von 60 % oder weniger eine höhere Belastbarkeit aufweisen. Wenn der SOC über 60 % liegt, nimmt der Gehalt an aktiven Chemikalien in der Lithiumbatterie allmählich zu.

Während des Nadelstanzvorgangs kommt es zu einer heftigen thermischen Durchbrennungsreaktion, und eine große Menge Gas strömt aus dem positiven Sicherheitsventil und der Nadelstanzposition aus, was dazu führt, dass die Lithiumbatterie anschwillt und nur begrenzt gleitet, was zu einer Abnahme ihrer Reaktionskraft führt. Daher führen die Änderung der eingebrachten Lithiummenge und das Auftreten von begrenztem Gleiten zu diesem Zeitpunkt zu einer Verringerung der Bruchlast.

Um Zufälligkeiten bei den Tests auszuschließen, führte Gruppe 1 mehrere wiederholte Tests bei jedem Ladezustand durch, und es ist zu erkennen, dass die durchschnittliche Tragfähigkeit der Batterie nicht einfach mit dem SOC wächst. Wenn der SOC zwischen 20 % und 60 % liegt, steigt die durchschnittliche Tragfähigkeit von Lithiumbatterien mit zunehmendem SOC, und die durchschnittliche Tragfähigkeit von Lithiumbatterien mit einem SOC von 60 % ist größer als 80 %. Wenn der SOC zwischen 80 % und 100 % liegt, steigt er ebenfalls mit der Erhöhung des SOC.

Zeichnen Sie die Spannungs-Zeit-Kurven von Batterien mit unterschiedlichem SOC auf. Die Ergebnisse zeigen, dass der SOC der Batterie einen gewissen Einfluss auf ihre Spannungsreaktion hat, und der Zeitpunkt, an dem die Klemmenspannung der Batterie abfällt, stimmt weitgehend mit dem Zeitpunkt überein, an dem die Batterie ihre maximale Belastung erreicht, was darauf hindeutet, dass der interne Kurzschluss der Batterie im Moment der Punktion auftritt.

Die Spannung mit einem SOC von 20 % und 40 % fiel zum Zeitpunkt des maximalen Lastabfalls nicht steil auf 0 V ab, sondern unterlag zunächst einer Schwankungsperiode und fiel dann auf etwa 0 V ab. Der Grund dafür könnte sein, dass die chemische Reaktivität innerhalb der Batterie unter niedrigen SOC-Bedingungen abnimmt und während eines Kurzschlusses keine unmittelbare Reaktion erfolgt.

Ein Vergleich der Temperatur-Zeit-Kurven unter verschiedenen SOC-Bedingungen zeigt, dass der Temperaturanstieg umso früher erfolgt, je höher der Ladezustand der Batterie ist, und dass die entsprechende Spitzentemperatur ebenfalls höher ist. Andererseits haben Lithiumbatterien mit hohem SOC einen hohen Gehalt an internen Chemikalien, und die Reaktion ist intensiv, wenn eine Stahlnadel zum Kurzschluss in die Batterie eingeführt wird. Bei allen Lithiumbatterien ist es zu einem thermischen Durchgehen gekommen, wobei Elektrolyt aus der Einstichstelle austritt und nach der Verformung eine große Menge weißen Rauchs austritt.

In der späteren Phase des Ladevorgangs steigt die Temperatur der Batterie in kurzer Zeit rapide an, begleitet von einer schnellen Entladung von Reizgasen. Dies liegt daran, dass nach dem Einstechen der Stahlnadel in die Lithiumbatterie die internen aktiven Substanzen und der Elektrolyt Oxidations-Reduktionsreaktionen mit Luft eingehen.

Die Verformung nach dem Einstechen der Nadel bei 100 % SOC führte zu einer Explosion nach etwa 136 Sekunden Ladezeit. Das positive Sicherheitsventil wurde herausgeschleudert, wobei eine große Menge weißen Rauchs austrat, und die höchste Temperatur erreichte zum Zeitpunkt der Explosion 162,9 ℃. Da zum Zeitpunkt der Explosion eine große Menge Gas aus der Einstichstelle entweicht, ist zu erkennen, dass die Einstichstelle der Batterie stark beschädigt und angeschwollen ist.