Teilweise Prüfung der Sicherheit von Lithiumbatterien - Teil 1

Teilweise Prüfung der Sicherheit von Lithiumbatterien - Teil 1

Seit der Massenproduktion von Lithiumbatterien hat sich diese Technologie aufgrund ihrer ausgezeichneten Leistung, wie z. B. hohe Energiekennzahl, lange Lebensdauer und hohe Elektrodenspannung, rasch durchgesetzt. Sie hat einen absoluten Vorteil in Mobiltelefonen, Computern und anderen Industrien und ist zu einem der wichtigsten Forschungsthemen für neue Energiefahrzeuge geworden. Um den Anforderungen des Marktes an eine hohe Speicherenergie gerecht zu werden, erhöhen die Unternehmen die spezifische Energieforschung und -entwicklung einer einzelnen Batterie. Dadurch kann zwar die Standby-Zeit von Mobiltelefonen verbessert werden, aber die Volumen-Energiedichte einer Einzelbatterie wird immer höher, und die Sicherheitsprobleme werden immer deutlicher. Das Haupthindernis für die kommerzielle Förderung von Hochkapazitäts- und Lithium-Ionen-Batterien ist die Sicherheit, und es gibt viele potenzielle Sicherheitsrisiken. Um diese Probleme zu analysieren und zu lösen, wurden mehrere internationale Sicherheitsnormen vorgeschlagen, z. B. IEC62133, UL1642, IEEE1625 usw. Die empfohlene Norm GB / T18287-2000 wurde auch in China eingeführt. Gleichzeitig wurden die Normen UN38.3, GB4943 usw. eingeführt, um die Sicherheit von Lithiumbatterien in der Luftfahrt, im Langstreckentransport und bei der Verwendung von Geräten zu gewährleisten. In den letzten Jahren hat sich jedoch mit der massiven Nutzung des Marktes und der Erhöhung der Batteriekapazität die Wahrscheinlichkeit ernsthafter Probleme wie Feuer und Explosion von Lithiumbatterien unter Missbrauchsbedingungen (wie Überhitzung, Überentladung, Kurzschluss, Vibration, Extrusion usw.) stark erhöht. Die daraus resultierenden Explosionsverletzungen oder Produktrückrufe aufgrund von Sicherheitsrisiken haben oft tödliche Auswirkungen auf Unternehmen. Verschiedene Unternehmen investieren in die Entwicklung neuer Technologien zur Verhinderung der Sicherheit von Lithiumbatterien, während sie gleichzeitig mögliche Probleme simulieren, um passendere Nachweismethoden durchzuführen, wie z. B. den in Japan obligatorischen JISC8714-Test für interne Kurzschlüsse, den IEC-Test für die obere und untere Temperaturgrenze und den Akupunktur-Test. Um der Marktnachfrage gerecht zu werden, wurden die bestehenden Sicherheitsstandards auch in China aktualisiert und zu GB/T18287-2013, GB31241-2014 überarbeitet; in diesem Artikel werden einige der aktuellen Erkennungsmethoden kurz vorgestellt.

Nageldurchdringungstest

Der Nadeleinstichtest ist ein erzwungener interner Kurzschluss. Unter der Umgebungstemperatur von 20 ℃ ± 5 ℃, ist die Batterie voll mit Standard-Ladestrom geladen, ein Thermoelement in der Nähe der Mitte der Batterie geklebt und in den Abzug platziert, und ein 3mm Durchmesser Edelstahlnadel wird verwendet, um schnell die Batterie mit der Geschwindigkeit von 20mm / s durchbohren. Die Nadel muss vollständig auf die andere Seite der Batterie zu durchdringen, und dann die Stahlnadel bleibt stationär für 1 Minute. Es ist zu beobachten, ob die Batterie Feuer fängt und explodiert, und gleichzeitig werden die Daten zur Temperaturänderung der Batterie ermittelt. Das Experiment gilt als bestanden, wenn die Batterie nicht brennt und nicht explodiert. Da diese Art von Test nicht einfach zu bestehen ist, gibt es einen Streit über das Problem der Szenariosimulation, und der Test ist nicht in der nationalen Norm GB / T18287 aufgeführt. QC / T743-2006 hat einen Nadeltest: Verwenden Sie eine hochtemperaturbeständige Stahlnadel (ø 3mm ~ ø 8mm), die senkrecht zur Batterieplatte eindringt (die Stahlnadel bleibt in der Batterie). Die Batterie darf nicht explodieren oder Feuer fangen.

Der Nageldurchdringungstest simuliert das Sicherheitsproblem, das auftritt, wenn Fremdkörper, insbesondere scharfe Metallteile, in die Batterieoberfläche eindringen. Dabei wird die Isolierschicht der Batterie durchstoßen, und die positiven und negativen Elektroden der Batterie werden sofort kurzgeschlossen. Der Kurzschlussstrom kann sofort eine große Hitze erzeugen. Bei der Akupunktur wird die Batterie am Akupunkturpunkt kurzgeschlossen. Die Stahlnadel selbst wird zum Kurzschlusspunkt und erzeugt eine große Wärmemenge, die einen lokalen Überhitzungsbereich entlang der Batterie um die Stahlnadel herum bildet. Setzen Sie den Gleichstromwiderstand der Batterie als R, den Kurzschlusswiderstand des Kurzschlussbereichs als r, die Batteriespannung als U und die Wärmeerzeugungsleistung im Stromkreisbereich Q: Q = U²r / (R + r)². Wenn die Temperatur in der lokalen Überhitzungszone den kritischen Punkt überschreitet, führt dies zu einer unkontrollierten Erwärmung. Der derzeit am häufigsten verwendete Elektrolyt für industrielle Lithium-Ionen-Batterien ist ein Lösungsmittelgemisch aus LiPF6 und Alkylcarbonat (einschließlich ECPC, Decemc usw.). Die Flammpunkte dieser gebräuchlichen Lösungsmittel sind wie folgt: 160 ℃ (EC) 132 ℃ (PC) 31 ℃ (DEC) 31C (DMC). Gleichzeitig führt der Elektrolyt auch eine Zersetzungsreaktion aus. Die Zersetzungsreaktion findet zwischen 170 ℃ und 330 ℃ statt, und die Wärmefreisetzung beträgt etwa 460 J / g, die mit dem Lithiumsalz und dem Lösungsmittel zusammenhängt. Im Experiment wird festgestellt, dass die Temperatur der allgemeinen Batterie stark ansteigt, nachdem die Nadel kurzgeschlossen wurde, und innerhalb weniger Sekunden etwa 120 ℃ erreichen kann. Da das Alkylcarbonat sehr leicht zu verbrennen ist, tritt das Lösungsmittel aus, wenn die Schale der Lithium-Ionen-Batterie durchstochen wird, und kommt mit dem Sauerstoff in der Luft in Kontakt. Es ist möglich, das organische Lösungsmittel in dem überhitzten Bereich in der Nähe der Stahlnadel zu entzünden, was dazu führt, dass sich die Batterie entzündet oder intern explodiert.

Lithiumbatterien bestehen aus mehreren parallel geschalteten positiven und negativen Elektroden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Spitze des Nagels durchdringt zunächst langsam die positive und negative Isolationsmembran der ersten Schicht. Zu diesem Zeitpunkt ist der Entladestrom der ersten Schicht paralleler Elektrodenstücke sehr groß, und die verbleibenden Elektrodenstücke ohne Kurzschluss werden über den ersten Kurzschlusspunkt entladen und erhitzt; Weiter in die zweite Elektrodenfragment-Isolationsmembran eindringen, und die verbleibenden Elektroden, die noch nicht kurzgeschlossen wurden, werden durch den Entladungsstrom an den aktuellen zwei Kurzschlusspunkten leicht reduziert; weiter eindringen, der Kurzschlussstrom fällt weiter sequentiell, bis er die Isolationsmembran des Batterieparallelelektrodenstücks vollständig durchdringt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Kurzschlusspunkt zwischen allen Elektroden, und der Kurzschluss wird mit minimalem Kurzschlussstrom fortgesetzt. Wenn die Einstichgeschwindigkeit der Nadel schneller ist, wie z.B. 40mm/s, kann der Kurzschlussstrom im Grunde genommen so betrachtet werden, dass alle Elektrodenstücke unter demselben Kurzschlussstrom erhitzt werden; wenn die Geschwindigkeit langsam ist, wie z.B. 0,1mm/s, wenn sie in die Vorelektrode eindringt, ist der Entladungsstrom groß, die momentane Hitze ist größer und die hohe Temperatur wird erzeugt, die die Zersetzungsreaktion des Elektrolyts stimulieren kann, was dazu führt, dass die Batterie in Brand gerät. Wenn die Nadelspitze die Oberfläche der Batterie während des Versuchs durchstochen hat und dann stoppt, ist der Kurzschlussstrom zu diesem Zeitpunkt extrem hoch und die Brandgefahr sehr groß. Um die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit des Tests zu gewährleisten, ist es notwendig, die verwendeten Geräte genau zu spezifizieren, den Durchmesser, die Härte, die Oberflächenbeschaffenheit, die Länge und die Verjüngung der Nadelspitze zu bestimmen, die Anzahl der Wiederverwendung der Nadel und die Entsorgungsbedingungen festzulegen; es muss gewährleistet sein, dass die Batterie jedes Mal mit der gleichen Geschwindigkeit durchstochen wird. Die Eindringtiefe der Batterie erfordert ebenfalls eine einheitliche Spezifikation.