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Sicherheitstest zur Durchdringung von Lithium-Ionen-Batterien mit Nägeln - Teil 2

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Sicherheitstest zur Durchdringung von Lithium-Ionen-Batterien mit Nägeln - Teil 2

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2.2 Verschiedene Nadelstanzgeschwindigkeiten

Die Ladegeschwindigkeiten sind auf 1 mm/min, 5 mm/min, 10 mm/min und 20 mm/min eingestellt.

Es ist zu erkennen, dass die Bruchlast mit zunehmender Geschwindigkeit ansteigt, und die maximale durchschnittliche Bruchlast beträgt 1,56 kN (20 mm/min). Wenn die Belastungsgeschwindigkeit der Probe von 1 mm/min auf 20 mm/min steigt, erhöht sich die durchschnittliche Bruchlast um 14 %.

Bei beiden Versuchsbatterien der Gruppe 2 kam es zu einem thermischen Durchgehen, wobei im Inneren der Batterien heftige Reaktionen auftraten. Aus der Einstichstelle floss eine große Menge Elektrolyt aus und es wurde weißer Rauch freigesetzt. Aus der Spannungs-Zeit-Kurve ist ersichtlich, dass sich mit zunehmender Geschwindigkeit die für den Spannungsabfall benötigte Zeit deutlich verkürzt und die Klemmenspannung im Wesentlichen auf etwa 0 V sinkt.

Die Erwärmungs- und Abkühlungsraten sowie die Spitzentemperaturen der Batterie nach der Durchdringung mit vier verschiedenen Geschwindigkeiten sind im Wesentlichen gleich. Dies liegt daran, dass die Membran der zylindrischen Batterie eine geringe Dehnbarkeit aufweist und beim Einstechen der Nadel leicht durchstochen werden kann, was zu extrem kurzen positiven und negativen Anschlüssen führt. Die Geschwindigkeit hat wenig Einfluss auf die Oberflächentemperatur der ausgewählten Batterie im Experiment, und die Spitzentemperatur ist etwas höher, wenn die Nadelstichgeschwindigkeit 20 mm/min beträgt und 100 ℃ erreicht. Unter anderen Geschwindigkeitsbedingungen ist die Spitzentemperatur der Batterieoberfläche im Wesentlichen gleich, etwa 95 ℃, was darauf hindeutet, dass die von der Batterie freigesetzte Energie weniger von der Nadelstichgeschwindigkeit beeinflusst wird.

2.3 Unterschiedliche Nadeleinstichtiefen

Eine Erhöhung der Nadeleinstichtiefe führt zu einer Erhöhung der Anzahl der Elektrodenpunkte und der Kontaktfläche für Kurzschlüsse, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit direkter Kurzschlüsse erhöht. Nach Kurzschlüssen kommt es zu einer Reihe von Nebenreaktionen. Daher ist die Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Einstichtiefen auf die Sicherheit von Lithiumbatterien und die Ermittlung der kritischen Tiefe, bei der Kurzschlüsse auftreten, von großer Bedeutung für die Frühwarnung.

Bei einer Tiefe von 10 mm ändert sich die Spannung nicht, was darauf hindeutet, dass es in der Lithiumbatterie keinen Kurzschluss gibt. Bei einer Tiefe von 11 mm fällt die Spannung in etwa 124 Sekunden von 3,9 V auf 3,6 V ab, steigt dann langsam auf 3,78 V an und bleibt bei etwa 3,78 V, was darauf hindeutet, dass die positiven und negativen Pole im Inneren der Batterie einen Kurzschluss verursacht haben, was zu einem lokalen Kurzschluss führt.

Analysiert man die Gründe für die Spannungserholung, so kann es sein, dass bei zu großer lokaler Hitze an der Akupunkturstelle der Stromabnehmer, das Diaphragma und der lokale Bereich der Einstichstelle schmelzen, wodurch der Strompfad unterbrochen und die weitere Entladung der Lithiumbatterie behindert wird. Ob die Membran und der Stromabnehmer zusammen schmelzen, entscheidet darüber, ob der Spannungsabfall wiederhergestellt werden kann.

Die Spitzentemperatur der Batterieoberfläche steigt mit zunehmender Einstichtiefe. Bei einer Einstichtiefe von 10 mm und 11 mm ist die Oberflächentemperatur der Batterie nicht hoch, der Grad der chemischen Reaktion im Inneren der Batterie ist nicht schwerwiegend, und es wird kein weißer Rauch oder Reizgas freigesetzt, was darauf hindeutet, dass kein thermisches Durchgehen stattgefunden hat. Wenn die Lithium-Batterie von 10 mm durchstochen wurde, gab es keinen Kurzschluss und die Temperatur blieb um 25 ℃.

Bei einer Nadeltiefe von 11 mm wird ein lokaler Kurzschluss in der Batterie ausgelöst, der eine geringe Energiemenge verbraucht und zu einer relativ langsamen Erwärmung führt.

Wenn die Stahlnadel bis zu einer Tiefe von 12 mm, 13 mm und 16 mm eindringt, kommt es zu einem thermischen Durchgehen der Batterie, wobei an der Einstichstelle Reizgas und weißer Rauch austreten und der Elektrolyt ausläuft. Nach dem Durchstechen der Hülle steigt die Temperatur stark an und erreicht schnell ihren Höhepunkt, wobei die Oberflächentemperatur der Batterie 90 ℃ übersteigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es eine kritische Tiefe vom lokalen Kurzschluss bis zum internen Kurzschluss der gesamten Lithiumbatterie gibt, wenn die Stahlnadel in die Batterie eindringt. Die kritische Tiefe der in dieser Arbeit verwendeten Lithiumbatterie beträgt etwa 11 mm. Wenn die Einstichtiefe geringer ist als die kritische Tiefe, kommt es in der Lithiumbatterie nicht zu einem thermischen Durchgehen, und die Oberflächentemperatur der Batterie steigt langsam an. Wenn die Einstichtiefe die kritische Tiefe überschreitet, kommt es zu einem thermischen Durchgehen der Batterie und die Oberflächentemperatur der Batterie steigt stark an.

2.4 Unterschiedliche Einstichstellen der Nadel

Für das Experiment wurden drei verschiedene Stellen ausgewählt

Unterschiedliche Einstichstellen haben einen erheblichen Einfluss auf die Belastbarkeit der Batterie. Je näher sie am Plus- und Minuspol der Batterie liegt, desto höher ist die Tragfähigkeit und desto größer ist die Steigung und umgekehrt. Es gibt eine klare Regelmäßigkeit im Einfluss der Nadeleinstichposition auf die Tragfähigkeit der Batterie. Je näher die Position des Nadeleinstichs am axialen Mittelpunkt der Batterie liegt, desto geringer ist die Tragfähigkeit und umgekehrt, desto größer ist die Tragfähigkeit.

Der Kurzschluss tritt zuerst in der Nähe der positiven Elektrode und spätestens in der mittleren Position auf. Die Spannung in der Nähe des Plus- und Minuspols fiel nach einem starken Einbruch nicht steil auf 0 V ab, sondern stieg wieder auf höhere Spannungen von 1,84 V und 1,1 V an und begann dann allmählich auf 0 V zu schwanken. Das liegt daran, dass die Positionen A und E sehr nahe am Ende des Batteriekerns liegen und zwischen dem Ende des Lithium-Batteriekerns und der Außenhülle ein Spalt besteht. Bei kontinuierlicher Belastung kommt es zu begrenztem Schlupf und Spannungskonzentration, was zu einer vorübergehenden Spannungsinstabilität führt.

Bei gleicher Verformung ist die lokale Dehnung an der Kantenposition größer, was zu einem leichteren Versagen der Membran und einem früheren Auftreten von internen Kurzschlüssen führt. Liegt die Einstichstelle der Nadel bei gleicher Verformung nahe der Mitte der Batterie, ist die lokale Dehnung geringer, so dass der interne Kurzschluss später auftritt.

Bei dem Test kam es zu einem thermischen Durchgehen (eine große Menge Elektrolyt floss aus der Einstichstelle und erzeugte eine große Menge weißen Rauch), und je näher die Einstichstelle am positiven und negativen Pol liegt, desto größer ist das Risiko eines thermischen Durchgehens. Je näher die Einstichstelle am Plus- und Minuspol liegt, desto schneller erwärmt sich die Batterie nach einem Kurzschluss und desto höher ist die Spitzentemperatur. So betragen die Spitzentemperaturen der Batterieoberfläche in 10 mm und 55 mm Entfernung von der negativen Elektrode 110,3 ℃ bzw. 104,8 ℃ und die Spitzentemperatur in 30 mm Entfernung von der negativen Elektrode 94,9 ℃. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit ausgewählte Randposition der Lithiumbatterie anfälliger für thermisches Durchgehen ist.

3 Schlussfolgerung

Für den Test wurde die DGBELL-Nageldurchdringungs-Testkammer verwendet. Eine Reihe von Experimenten wurde mit einer einzelnen 18650 Lithium-Ionen-Batterie durchgeführt, einschließlich SOC, Nadelstichgeschwindigkeit, Tiefe und Position. Der Einfluss verschiedener Parameter auf die Sicherheitsleistung von Lithiumbatterien wurde anhand der mit der Kraft und der Wärme verbundenen Daten der Batterien analysiert, und es wurden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen.

(1) Die ultimative Belastung von Lithiumbatterien ist nicht einfach eine Beziehung zu einem steigenden SOC. Wenn der SOC zwischen 20 % und 60 % liegt, steigt die Bruchlast mit zunehmendem SOC; wenn der SOC zwischen 80 % und 100 % liegt, steigt sie ebenfalls mit zunehmendem SOC, und die maximale durchschnittliche Bruchlast beträgt 1,66 kN, was 20 % höher ist als die durchschnittliche Bruchlast bei 20 % SOC.

Je größer der SOC ist, desto intensiver ist die Reaktion während des Akupunkturprozesses und desto größer ist das Risiko eines thermischen Durchgehens. Bei unterschiedlichen Nadelungsgeschwindigkeiten ist die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs und -abfalls auf der Batterieoberfläche konsistent, mit einer Spitzentemperatur von etwa 95 ℃, und es gibt keine signifikante Korrelation zwischen der Nadelungsgeschwindigkeit und dem Auftreten eines thermischen Durchgehens.

(2) Während des Vernadelungsprozesses gibt es eine kritische Tiefe, ab der ein lokaler Kurzschluss einen Kurzschluss in der gesamten Lithiumbatterie verursacht. Die kritische Tiefe der Lithiumbatterie, die für das Experiment ausgewählt wurde, beträgt etwa 11 mm, was als Schwellenwert für die Frühwarnung der Benutzer verwendet werden kann.

Unterschiedliche Positionen haben einen erheblichen Einfluss auf die Kraft, Elektrizität und Wärme der Lithiumbatterie. Wenn die Nadel in der Nähe der positiven und negativen Elektroden eingeführt wird, sind die Höchstlast und die Spitzentemperatur höher als in der mittleren Position. Die Spitzentemperaturen betragen 104,8 ℃ bzw. 110,3 ℃. Wenn Lithiumbatterien in der Nähe der positiven und negativen Elektroden Kollisionen mit externen Kräften ausgesetzt sind, nimmt ihre Sicherheitsleistung ab, wodurch sie anfälliger für Sicherheitsunfälle wie thermisches Durchgehen werden.