Analyse der Sicherheitsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien

Analyse der Sicherheitsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien hat für uns Priorität, vor allem in Bereichen, die mit der Sicherheit unseres Lebens und Eigentums verbunden sind, wie z. B. Personenkraftwagen. Um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten, haben die Menschen eine Reihe von Sicherheitstests entwickelt, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien im Falle eines Missbrauchs zu gewährleisten. Aus der Perspektive der Optimierung der Batteriestruktur ist die Frage, wie man diese Sicherheitstests bestehen kann, ein neues Problem, das wir berücksichtigen müssen.

In Anbetracht der Sicherheitsrisiken, denen Lithium-Ionen-Batterien in der Praxis ausgesetzt sein können, haben wir Sicherheitstests wie Extrusion, Akupunktur, Kurzschluss, Überladung und Entladung sowie hohe und niedrige Temperaturen entwickelt. Unter den vielen Sicherheitstests sind die Extrusions-, Akupunktur- und externen Kurzschlusstests, die interne und externe Kurzschlüsse von Lithium-Ionen-Batterien simulieren, die herkömmlichsten und am schwierigsten zu bestehen. Der Hauptgrund dafür ist, dass der momentane Strom bei diesen beiden Sicherheitstests zu groß ist. Aufgrund der ohmschen Impedanz und anderer Faktoren wird in der Lithium-Ionen-Batterie über einen bestimmten Zeitraum eine große Menge an Wärme erzeugt. Begrenzt durch die Struktur der Lithium-Ionen-Batterie kann diese Wärme nicht schnell nach außen diffundieren, was zu einer hohen Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie führt, was wiederum die Zersetzung und Verbrennung der aktiven Substanzen und des Elektrolyten zur Folge hat, wodurch die Wärme außer Kontrolle gerät.

Nimmt man die quadratische Batterie, die üblicherweise in Elektrofahrzeugen verwendet wird, als Beispiel, so ist die Diffusionsgeschwindigkeit der Wärme, die in jedem Teil der Batterie erzeugt wird, aufgrund des strukturellen Aufbaus unterschiedlich, so dass es einen offensichtlichen Temperaturgradienten in der Richtung der Ebene und der Dicke der Batterie geben wird. Insbesondere bei hohen Strömen kann die in der Batterie erzeugte Wärme, vor allem in der Mitte der Zelle, nicht gut verteilt werden, so dass die Temperatur im Inneren der Zelle stark ansteigt, was zu Sicherheitsproblemen führt.

Extrusionstest

Beim Extrusionstest werden mit zunehmendem Verformungsgrad der Batterie zuerst die positiven und negativen Stromabnehmer zerrissen und rutschen entlang der 45-Grad-Fehlerlinie, wobei auch das aktive Material beschädigt wird. Mit der kontinuierlichen Zunahme der Membranverformung erreicht die Membran schließlich den Fehlerpunkt und verursacht das Auftreten eines positiven und negativen Kurzschlusses. Bei dem durch die Extrusion verursachten positiven und negativen Kurzschluss handelt es sich hauptsächlich um einen Punktkurzschluss. Daher wird an der Kurzschlussstelle ein sehr hoher Strom erzeugt und die Wärme wird intensiv freigesetzt, wodurch die Temperatur an der Kurzschlussstelle stark ansteigt. Daher kann es leicht zu einer unkontrollierten Erwärmung kommen.

Nageldurchdringungsversuch

Der Nageldurchdringungsversuch ist ebenfalls eine Methode zur Simulation des internen Kurzschlusses einer Lithium-Ionen-Batterie. Das Grundprinzip besteht darin, eine Metallnadel langsam und mit einer bestimmten Geschwindigkeit in das Innere der Lithium-Ionen-Batterie einzuführen, was zu einem internen Kurzschluss der Lithium-Ionen-Batterie führt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Energie der gesamten Lithium-Ionen-Batterie über den Kurzschlusspunkt freigesetzt. Einschlägige Studien zeigen, dass bei einem internen Kurzschluss innerhalb von 60 Sekunden höchstens etwa 70 % der Energie über den Kurzschlusspunkt freigesetzt werden, und dieser Teil der Wärme wird schließlich in Wärmeenergie umgewandelt. Da die erzeugte Wärme nicht rechtzeitig abgeleitet werden kann, kann die momentane Temperatur des Kurzschlusspunktes mehr als 1000 ℃ erreichen, was zu einer unkontrollierten Erwärmung führt.

Externer Kurzschlusstest

Im Vergleich zu den oben genannten Extrusions- und Akupunkturversuchen ist der externe Kurzschlusstest relativ mild. Beim externen Kurzschlusstest wird die Lithium-Ionen-Batterie an einen festen Widerstand angeschlossen, und die Leistung der Lithium-Ionen-Batterie wird über den Widerstand abgegeben. Der Kurzschlussstrom kann je nach Festwiderstand von einigen zehn Ampere bis zu Hunderten oder sogar Tausenden von Ampere gesteuert werden. Aufgrund des hohen Stroms sammelt sich in der Lithium-Ionen-Batterie in kurzer Zeit eine große Wärmemenge an, was zu einem thermischen Durchgehen der Lithium-Ionen-Batterie führen kann.

Ob der Kurzschlusstest bestanden werden kann, hängt hauptsächlich vom Kurzschlussstrom ab. Je höher der Kurzschlussstrom ist, desto schneller ist die Wärmeentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie, während sich die Wärmediffusionsrate der Lithium-Ionen-Batterie nicht wesentlich ändert. Das bedeutet, dass sich mehr Wärme in der Lithium-Ionen-Batterie ansammelt und die Temperatur stärker ansteigt, was zu einer Kontraktion der Membran und zu ernsthaften Problemen wie einem Kurzschluss der positiven und negativen Elektroden führen kann, was wiederum zu einem thermischen Durchgehen der Lithium-Ionen-Batterie führt.

Der wichtigste Faktor, der den Kurzschlussstrom einer Lithium-Ionen-Batterie beeinflusst, ist der Widerstandswert des Kurzschlusswiderstands, gefolgt von Faktoren wie dem Innenwiderstand und dem Ladezustand der Lithium-Ionen-Batterie. Forscher in den Niederlanden fanden heraus, dass während des Kurzschlussprozesses der Lithium-Ionen-Batterie die Stromänderung hauptsächlich in die folgenden Teile unterteilt ist, und der Entladestrom von Bereich 1 der Batterie kann 274c erreichen, Dieser Teil wird hauptsächlich durch die Entladung der elektrischen Doppelschicht und der Diffusionsschicht der Lithium-Ionen-Batterie angetrieben. Im Bereich 2 kann die Entladungsrate der Lithium-Ionen-Batterie 50-60c erreichen. Der wichtigste begrenzende Faktor für diesen Teil des Stroms ist die Materialdiffusion. Aufgrund der Wärmestauung kann es in diesem Bereich zum thermischen Durchgehen der Batterie kommen. Im Bereich 3 nimmt der Entladestrom der Batterie mit der Abnahme der Antriebskraft allmählich ab.

Ihre Untersuchungen ergaben auch, dass der wichtigste Faktor, der die Ergebnisse der Kurzschlusstests beeinflusst, das Verhältnis zwischen dem Kurzschlusswiderstand und dem Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterie ist, das noch größer ist als der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterie und der Ladezustand der Batterie. Je näher der Widerstandswert des Kurzschlusswiderstands an der Lithium-Ionen-Batterie liegt, desto anfälliger ist die Lithium-Ionen-Batterie für einen thermischen Durchschlag. Die Lithium-Ionen-Batterie kann den Kurzschluss-Sicherheitstest nur bestehen, wenn der Widerstandswert des Kurzschlusswiderstands mehr als das 9-12-fache des Innenwiderstands der Lithium-Ionen-Batterie beträgt. In der Tat ist es nicht schwer zu verstehen, dass bei einer Kurzschlussentladung die Wärme hauptsächlich durch den Kurzschlusswiderstand des externen Stromkreises und den Innenwiderstand der Batterie erzeugt wird. Nach der Joule'schen Wärmeformel P = I2R ist bei gleichem Strom die Heizleistung direkt proportional zum Widerstandsbereich. Wenn die Energie der Batterie feststeht, erzeugt der Teil mit dem größten Widerstand natürlich mehr Wärme.

Aus der obigen Analyse geht unschwer hervor, dass die Faktoren, die die Ergebnisse der Sicherheitsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien beeinflussen, im Wesentlichen die Wärmeerzeugungsrate und die Wärmeableitungsrate sind. Die Verringerung der Wärmeentwicklung während der Sicherheitsprüfung durch ein Sicherheitsdesign oder die Reduzierung des Stroms und die Verhinderung der kontinuierlichen Wärmeentwicklung können das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien wirksam verhindern. Die zweite Möglichkeit ist die Verbesserung der Wärmeableitungsrate von Lithium-Ionen-Batterien. Durch die Verbesserung der Wärmeableitung durch das strukturelle Design der Lithium-Ionen-Batterie kann die Temperatur der Lithium-Ionen-Batterie wirksam vermieden werden. Vor allem auf der Ebene des Batteriepakets müssen entsprechende Mittel zur Wärmeableitung vorhanden sein, um die Wärme im Falle eines thermischen Durchgehens einiger Lithium-Ionen-Batterien schnell ableiten zu können, um eine Kettenreaktion zu vermeiden.