Über den Kurzschlusstest von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

Über den Kurzschlusstest von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 1

Externer Kurzschluss bezieht sich im Allgemeinen auf einen Kurzschluss, der durch direkten Kontakt zwischen der positiven und negativen Elektrode einer Batterie verursacht wird. Ein externer Kurzschluss (ESC) kann einen Temperaturanstieg verursachen, der, wenn er lange genug anhält, die Batterie beschädigen kann.

1 Test

für den Test wurde ein 18650 NCM-Akku verwendet

Im ersten Test wurde die Umgebungstemperatur des Akkus auf 25 ℃ festgelegt, und die Variablen waren verschiedene SOC.

Die Testdaten sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Der gesamte Prozess des externen Kurzschlusses der Batterie ist entsprechend der Stromänderung in zwei Stufen unterteilt:

(1) Die erste Phase: die Phase des schnellen Anstiegs. Der Strom steigt schnell auf seinen Höchstwert an, während die Spannung auf ein niedriges Niveau fällt;

(2) Die zweite Stufe: Kontinuierliche Stromphase. Der Strom nimmt schneller ab, und dann entsteht ein Stromplateau. Das Stromplateau wird für eine gewisse Zeit beibehalten, der Strom sinkt dann schnell auf Null. Der Trend der Spannungsänderungen ist derselbe, wobei ein Spannungsplateau auftritt, wenn die Spannung auf etwa 1 V fällt, und nach einer gewissen Zeit fällt die Spannung schnell auf Null.

Die zum Erreichen des Selbstschutzes der Batterie erforderliche Zeit wird als kritische Zeit festgelegt.

Fassen Sie die Testphänomene wie folgt zusammen:

Während der schnellen Anstiegsphase steigt der Strom der übrigen Batterien in den anderen SOC-Zuständen mit Ausnahme von 10 % SOC in etwa 0,1 Sekunden auf 60-80 A an, was einer Entladung im Bereich von 30-40 C entspricht. Während der schnellen Anstiegsphase fällt die Spannung der Batterien in allen SOC-Zuständen in etwa 0,1 Sekunden von 4,2 V auf etwa 1,0 V.

Während der Dauerstromphase ist der Strom umso höher, je höher der SOC der Batterieplattform ist, aber umso kürzer ist die Dauer.

Je höher der SOC in der Hochstromphase ist, desto kürzer ist die Dauer des Plateaus der Batteriespannung. Nachdem die Spannung auf Null gesunken ist und 80-100 Sekunden lang stehen geblieben ist, kommt es zu einem Spannungsanstieg.

Im dritten Test wurde die Umgebungstemperatur der Batterie festgelegt, der SOC wurde auf 20 %, 50 % und 80 % eingestellt, und die Variablen waren verschiedene externe Kurzschlusszeiten. Die Testdaten sind in der folgenden Abbildung dargestellt, und die Zeit, die erforderlich ist, um den Selbstschutz der Batterie zu erreichen, wird als kritische Zeit festgelegt. Fassen Sie die Testphänomene wie folgt zusammen:

Batterien mit niedrigem SOC haben einen größeren kritischen Zeitpunkt bei externen Kurzschlüssen.

Nach einem externen Kurzschluss hat die Kapazität der Batterie abgenommen.

Die Schlussfolgerungen, die wir aus den drei Tests ziehen können, sind:

Angenommen, nach einem Kurzschluss außerhalb der Lithium-Ionen-Batterie tritt kein Leck auf

(1) Je höher der SOC einer Batterie bei gleicher Temperatur ist, desto höher ist der Spitzenwert des Kurzschlussstroms während der Anstiegsphase im Moment des externen Kurzschlusses (0,1s-Niveau); je höher das Stromplateau während der Dauerstromphase ist, desto kürzer ist die kritische Zeit.

(2) Bei der gleichen Temperatur fällt die Kurzschlussspannung im Moment des externen Kurzschlusses (0,1s-Pegel) auf einen bestimmten Wert, und der Spannungsunterschied zwischen Batterien mit unterschiedlichem SOC nach dem Abfall ist nicht signifikant.

(3) Bei der gleichen Temperatur geben Batterien mit höherem SOC bei externen Kurzschlüssen weniger Kapazität ab.

(4) Bei gleichem SOC ist die kritische Zeit für einen externen Kurzschluss der Batterie umso kürzer, je höher die Temperatur ist; wenn der SOC hoch ist, ändert sich die kritische Zeit der Batterie bei verschiedenen Temperaturen weniger.

(5) Je höher die Temperatur bei gleichem SOC ist, desto größer ist der Wert des Dauerstromplateaus.

(6) Bei gleichem SOC ist die Entladekapazität während der kritischen Zeit nach einem externen Kurzschluss der Batterie umso geringer, je höher die Temperatur ist. Nach einem externen Kurzschluss nimmt die Batteriekapazität leicht ab.

Wenn die Batterie während des externen Kurzschlusses ausläuft (aufgrund des Versagens der internen Materialien und des Beginns thermischer Reaktionen)

(1) Batterien mit höherer Umgebungstemperatur und höherem SOC sind bei externen Kurzschlüssen anfälliger für Leckagen.

(2) Nach dem Auslaufen sinkt der Wert des Stromplateaus der Batterie, die Spitzentemperatur des Temperaturanstiegs steigt, und die freigesetzte Kapazität nimmt ab.

2 Analyse

Analyse der Testphänomene und Schlussfolgerungen, Konstruktion eines externen Kurzschlussmodells für Lithium-Ionen-Batterien (der folgende Inhalt ist die Spekulation des Autors, nicht testweise bewiesen, mit Vorsicht zu genießen)

Der externe Kurzschluss von Lithium-Ionen-Batterien ist in der folgenden Abbildung dargestellt: Verwenden Sie einen Draht mit einem Widerstand von m Ω, um den positiven und den negativen Pol der Batterie zu verbinden.

Voraussetzung ist, dass während des externen Kurzschlusses von Lithium-Ionen-Batterien keine Leckage auftritt. Wie in der Abbildung unten dargestellt, sind die internen Reaktionen von Batterien mit hohem SOC während des externen Kurzschlusses in drei Schritte unterteilt.

Der erste Schritt besteht darin, dass in dem Moment, in dem der externe Draht die positiven und negativen Elektroden berührt, die Li-Ionen auf der Elektrodenoberfläche schnell den Prozess der Extraktion und des Einfügens abschließen Makroskopisch zeigt sich dies durch das Auftreten eines großen Stroms.

Aufgrund der Anhäufung einer großen Menge negativer Ladungen auf der positiven Elektrode nach dem Anschluss des externen Drahtes sinkt das Potenzial der positiven Elektrode; ebenso steigt das Potenzial der negativen Elektrode aufgrund der Anhäufung einer großen Menge positiver Ladungen, was ein Phänomen der Polarisierung ist (Leser, die sich nicht über die Polarisierung im Klaren sind, können sich auf den vorherigen Artikel des Autors beziehen - Lithium-Ionen-Batterie - Lithium-Ionen-Batterie - Die Prüfspannung am Ende der Entladung ist V1, und nachdem sie eine Zeit lang gestanden hat, wird die Spannung wieder als V2 gemessen. Warum ist V2 größer als V1?)

Aufgrund der Polarisierung manifestiert sie sich makroskopisch als ein schneller Spannungsanstieg. Die Geschwindigkeitsstufen für diesen Schritt sind die elektrochemische Reaktionsrate und die Diffusionsrate. Der externe Kurzschluss von Lithium-Ionen-Batterien ist in der folgenden Abbildung dargestellt: Verwenden Sie Drähte mit einem Widerstand von m Ω, um den positiven und den negativen Pol der Batterie zu verbinden.