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Analyse der Sicherheits- und Stabilitätsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

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Analyse der Sicherheits- und Stabilitätsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

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Mit der ständigen Weiterentwicklung der Energietechnologie ist der Einsatz von Elektrofahrzeugen zu einer praktikablen Lösung für Umweltprobleme geworden. Im Vergleich zu anderen Batterietypen haben Lithium-Ionen-Batterien die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer langen Lebensdauer, einer einfachen Nutzung und Wartung usw. und sind zur ersten Wahl für Strombatterien für Elektrofahrzeuge geworden. Die potenzielle Unfallgefahr, die von Lithium-Ionen-Batterien ausgeht, gefährdet jedoch die Sicherheit von Menschenleben und Eigentum, und das Vertrauen der Verbraucher in die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen wird geschwächt. Lithium-Ionen-Batterien sind in der Regel sicher unter normalen Bedingungen der Nutzung, aber im Falle von einzelnen Fehlern in der Produktion, und Missbrauch oder Missbrauch Bedingungen wie hohe Temperatur, Kurzschluss, Überladung und Entladung, Vibration, Extrusion und Auswirkungen, etc. in der Verwendung der Batterie wird eine thermische Reaktion auftreten, um eine große Menge an Wärme zu produzieren, wenn es nicht in der Zeit diffundieren wird thermische Durchgehen verursachen, die die Batterie in Brand geraten und explodieren kann. Von Januar bis Juli 2018 gab es viele Unfälle mit Elektrofahrzeugen im In- und Ausland, die auf Lithium-Ionen-Batterien zurückzuführen waren.

Um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu bewerten, wurden im In- und Ausland eine Reihe von Sicherheitsteststandards vorgeschlagen, wie z. B. ISO12405-3 IEC62133UL1642UN383. In diesem Papier werden in Verbindung mit der aktuellen inländischen Batterie-Norm für Elektrofahrzeuge GB/T314852015 und der Batterie-Pack-Norm GB/T31467.3-2015 verschiedene Situationen analysiert und diskutiert, in denen die Batterie thermisch durchgehen kann.

1.1 Nageldurchdringungstest

Die Nagelpenetration Test verwendet eine hochtemperaturbeständige Stahlnadel ф5mm ~ ф8mm (der Kegel Winkel der Nadelspitze ist 45 ° ~ 60 ° die Oberfläche der Nadel ist glatt und rostfrei Oxidschicht und Öl) mit einer Geschwindigkeit von (25±5) mm / s aus der Richtung der Batterieplatte durch die Position der geometrischen Mittelpunkt der Stahlnadel in der Nähe der Piercing-Oberfläche, um in der Batterie für die Beobachtung für 1h bleiben. Während dieses Vorgangs sollte die Batterie nicht explodieren und kein Feuer fangen. Der modulare Nadelstichtest verwendet eine etwas dickere Stahlnadel mit der gleichen Geschwindigkeit, aus der Richtung senkrecht zur Batterieplatte wiederum durch mindestens 3 einzelne Batterien (Stahlnadeln bleiben in der Batterie) Beobachtung für 1h. Während dieses Vorgangs sollte das Batteriemodul nicht explodieren oder sich entzünden.

Nachdem die Stahlnadel den Batterieseparator durchstochen hat, bilden die positiven und negativen Polplatten der Batterie eine Schleife mit der Stahlnadel, was zu einem Kurzschluss im Inneren der Batterie führt und eine große Anzahl heißer Stellen erzeugt. Wenn die Temperatur 130 °C erreicht, beginnt das allgemeine Diaphragma zu schrumpfen und zu schmelzen, wodurch ein größerer Kontaktbereich zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie entsteht, der wiederum einen internen Kurzschluss verursacht. Wenn die Batterie in voller Leistung ist, sind die positiven und negativen Pole in einem metastabilen Zustand Wenn die Temperatur 180 ° C überschreitet, werden die positiven und negativen Pole eine starke exotherme Reaktion mit dem Elektrolyten und produzieren eine große Menge an Gas (einschließlich einer großen Menge von brennbaren organischen Gases und eine kleine Menge von Sauerstoff). Wenn die Temperatur auf mehr als 240 °C ansteigt, beginnt das fluorhaltige Bindemittel heftig mit dem Lithiumkohlenstoff zu reagieren und eine große Wärmemenge freizusetzen. Der Flammpunkt des linearen Karbonats im heißen Elektrolyt ist niedrig und kann leicht eine offene Flamme erzeugen. In den meisten Fällen durchsticht die Stahlnadel das Loch der Batterie und kann leicht brennbare Stoffe bei hohen Temperaturen versprühen, die sich in der Luft entzünden und ein Spuckfeuerphänomen bilden (wie in Abbildung 1 dargestellt). Beim Nadelstichtest der Modulbatterie ist die Spannung der Modulbatterie höher, der Nadelstich verursacht einen internen Kurzschluss, wenn der momentane Strom größer ist, und es ist wahrscheinlicher, dass der thermische Durchschlag der Batterie gezündet wird und explodiert.

Die Spannungsplattform der Lithium-Ionen-Batterie des ternären Materialsystems ist höher als die der Lithium-Ionen-Batterie des Lithium-Ionen-Systems des Lithium-Ionen-Systems des Lithium-Ionen-Systems, und die Bestehensrate ist sehr niedrig, wenn der Nadelstichtest durchgeführt wird. Am 30. Dezember 2016 haben die vier Ministerien und Kommissionen des Staates das "New Energy Vehicle Promotion Subsidy Scheme and Product Technical Requirements" herausgegeben, in dem festgelegt ist, dass der Akupunktur-Test in den Sicherheits- und Prüfverfahren für Leistungsbatterien für Elektrofahrzeuge (Standardnummer GB/T31485-2015628638) nicht umgesetzt wird. Die Redaktionsgruppe ist der Ansicht, dass die Akupunkturprüfung nicht mit dem tatsächlichen Ausfallmodus in den ausländischen Normen IEC62660-2 und IEC62660-3 übereinstimmt und die Akupunkturprüfung nicht zur Bewertung der Sicherheit der Batterie verwendet wird Derzeit ist es schwierig, die Akupunkturprüfparameter so anzupassen, dass sie die tatsächlichen Ausfallbedingungen vollständig nachbilden. Allerdings sind alle Arten von Testanforderungen schwierig, die tatsächlichen Fehlerbedingungen vollständig zu replizieren, die nur indirekt einige typische Fehlermodi aus dem Fehlermodus extrahiert widerspiegelt. In praktischen Anwendungen muss die Möglichkeit bestehen, dass ein Fremdkörper in die Batterie eindringt und einen Kurzschluss in der Batterie verursacht. Zusätzlich zu den beiden iec-Normen, SAEJ2464 und UL2580, werden auch die Anforderungen für die Akupunktur klar angegeben. In dieser Hinsicht sind die Anforderungen der nationalen Normen reduziert. Auf dem heutigen Markt für reine Elektrofahrzeuge nimmt die Energiedichte der Batterien zu, und die Gefahr eines Batterieversagens unter Testbedingungen steigt ebenfalls an.

1.2 Kurzschlusstest

Die Anforderung an den einzelnen Kurzschluss besteht darin, dass die positiven und negativen Pole der einzelnen Batterie weniger als 5mΩ betragen sollten, wenn sie 1 Stunde lang durch den externen Kurzschluss für 10 Minuten beobachtet werden. Während dieses Prozesses sollte die Batterie nicht explodieren und sich nicht entzünden. Das Modul Kurzschluss muss das Batteriemodul durch den externen Kurzschluss für 10min Der externe Leitungswiderstand sollte weniger als 5mΩ Beobachtung für 1h sein. Während dieses Prozesses sollte das Batteriemodul nicht explodieren oder sich entzünden.

Nehmen wir den Kurzschlusstest des 60Ah-Batteriemoduls aus ternärem Material als Beispiel, so beträgt die Batteriespannung des voll geladenen Moduls 204V und der Kurzschlusswiderstand 3m2 Während des Tests wird festgestellt, dass der kontinuierliche Entladestrom der Batterie mit einem transienten Maximalstrom von 3293A während des Kurzschlussvorgangs etwa 3000A beträgt

Der große Strom, der während des Kurzschlusses erzeugt wird, führt zu einem raschen Anstieg der Temperatur in der Lithium-Ionen-Batterie. Unter der Einwirkung der hohen Temperatur kommt es im Inneren der Batterie zu einer exothermen Reaktion und einer Gasbildung zwischen den positiven und negativen Elektrodenmaterialien und dem hier beschriebenen Elektrolyten. Der verdampfte Elektrolyt und andere brennbare Gase platzen durch das Batteriegehäuse und verbreiten sich in die Luft, wie in Abbildung 3 dargestellt, während die hohe Temperatur das lineare Karbonat mit einem niedrigeren Flammpunkt entzündet und ein Batteriebrand entsteht, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Eine weitere Möglichkeit ist ein Feuer außerhalb der Batterie, das durch einen Kurzschluss verursacht wird. Die Temperatur der Batterie steigt während des Kurzschlusses weiter an, und die hohe Temperatur entzündet die brennbaren Halterungsdrähte an der Außenseite der Batterie oder die nicht flammhemmende Batterieschutzhülle, wie in Abbildung 5 dargestellt.