Über den Kurzschlusstest von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 2

Über den Kurzschlusstest von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 2

Im zweiten Schritt werden die Li-Ionen auf der Oberfläche der Elektrode allmählich verbraucht. Die Transportgeschwindigkeit der Li-Ionen im Elektrolyten ist langsamer als die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit, und die Li-Ionen auf der Elektrodenoberfläche können nicht rechtzeitig wieder aufgefüllt werden. Makroskopisch zeigt sich dies in einer Abnahme des externen Kurzschlussstroms, bis ein Plateaustrom erreicht wird. An diesem Punkt bleibt die Polarisierung aufgrund der konstanten Anwesenheit des externen Drahtes bestehen, was sich in Form von Spannungsschwankungen um einen Plateauwert herum zeigt.

Der dritte Schritt kann in zwei Situationen unterteilt werden: Wenn der Selbstschutzmechanismus der Batterie zu diesem Zeitpunkt wirksam ist, wird der Stromweg innerhalb der Batterie unterbrochen. Da er keinen vollständigen Stromkreis mehr bildet, sinkt der Kurzschlussstrom makroskopisch gesehen auf Null. Da der Stromkreis innerhalb der Batterie unterbrochen ist, kann das externe Spannungsprüfgerät die Spannung der Batterie nicht mehr messen, was zu einem Spannungsabfall auf Null führt.

Wenn die externen Leitungen manuell unterbrochen werden, bevor der Selbstschutzmechanismus der Batterie in Kraft tritt, wird der Kurzschlussstrom aufgrund der Unterbrechung des Stromkreises zu Null. Zu diesem Zeitpunkt kann das externe Spannungsprüfgerät noch die Spannung der Batterie messen. Nach dem Wegfall des externen Stroms verschwindet die Polarisierung der Elektrode allmählich, was sich darin äußert, dass die Spannung in die Nähe des Spannungswerts vor dem externen Kurzschluss steigt.

Eine Entladung mit hoher Geschwindigkeit kann jedoch zur Bildung von totem Lithium, zur Bildung von Lithiumdendriten und zur Beschädigung der internen Materialien der Batterie führen, was eine Verringerung der Batteriekapazität und eine Erhöhung der Sicherheitsrisiken zur Folge hat.

Über die Auswirkungen des SOC auf externe Kurzschlussbatterien. Die Reaktion von Batterien mit niedrigem SOC bei externem Kurzschluss ist die gleiche wie die von Batterien mit hohem SOC, mit dem Unterschied, dass sie sich bei einem externen Kurzschluss anders verhalten:

Aufgrund des niedrigeren SOC sind mehr Li-Ionen in das positive Elektrodenmaterial eingebettet, und es befindet sich weniger Li in der externen Lösung. Daher sinkt im ersten Schritt der Spitzenstromwert, den die Batterie erreichen kann. Da sich die Polarisierung viel stärker auf die Spannung auswirkt als die Li-Ionenkonzentration auf das Elektrodenpotenzial (was als 10000 negative Ladungen verstanden werden kann, die durch den externen Draht zur positiven Elektrode gebracht werden, ist es egal, ob nun 10 oder 20 Li-Ionen in die positive Elektrode eindringen), zeigt sich dies darin, dass die Spannung verschiedener SOC-Batterien auf ähnliche Werte abfällt

Unter der Annahme, dass die Wärme, die zur Auslösung des Selbstschutzmechanismus der Batterie erforderlich ist, nach dem Joule'schen Gesetz Q=I ² Rt gleich ist, ist der Strom von Batterien mit niedrigem SOC kleiner als der von Batterien mit hohem SOC, was zu einer längeren kritischen Zeit für Batterien mit niedrigem SOC führt

Der Einfluss der Temperatur auf externe Kurzschlussbatterien

Wenn die Umgebungstemperatur hoch ist, wird die kritische Zeit der Batterie kürzer, weil sich die Fähigkeit der Batterie zur Wärmeableitung verschlechtert und sich im Inneren der Batterie eine große Wärmemenge ansammelt, so dass sie in kurzer Zeit eine höhere Temperatur erreichen kann

Bei Batterien mit hohem SOC ist der Strom bei einem externen Kurzschluss größer, und der Einfluss der externen Umgebungstemperatur auf die Wärmeableitungsfähigkeit ist begrenzt. Daher ändert sich die kritische Zeit von Batterien mit hohem SOC bei verschiedenen Temperaturen nicht wesentlich

Hohe Temperaturen können die Diffusionsrate von Substanzen erhöhen, was zu höheren Plateaustromwerten und kürzeren kritischen Zeiten für Batterien mit demselben SOC bei hohen Umgebungstemperaturen führt

Die Auswirkungen eines externen Kurzschlusses auf die Batterie, bevor die Selbstschutzvorrichtung aktiviert wird

Je länger die Zeit ist, desto länger dauert der Prozess der Entladung der Batterie mit hoher Rate und desto größer ist der Schaden, den er der Batterie zufügt Wenn die erzeugte Joule-Wärme zum Versagen der Membran führt, kommt es in der Batterie zu einem internen Kurzschluss Die Probleme im Zusammenhang mit internen Kurzschlüssen werden später diskutiert

3 Schlussfolgerung

In der obigen Analyse haben wir also die Phänomene herausgefunden, die Batterien aufweisen, wenn sie extern kurzgeschlossen werden, und das Batteriemodell für externe Kurzschlüsse abgeleitet:

Erstens: Haben alle Batterien nach einem externen Kurzschluss einen Spannungsplateauwert von etwa 1 V? Nein, der Wert des Spannungsplateaus wird durch die Eigenschaften des Elektrodenmaterials selbst bestimmt. In verschiedenen Batteriesystemen können externe Kurzschlüsse dazu führen, dass die Batterie unterschiedliche Spannungsplateauwerte aufweist

Zweitens ist nicht sicher, ob ein externer Kurzschluss zwangsläufig zu einem Versagen der Sicherheitsleistung der Batterie führt (im Artikel als "Leckage" bezeichnet). Der Prozess des externen Kurzschlusses ist der Prozess der Hochgeschwindigkeitsentladung der Batterie. Obwohl er die internen Materialien der Batterie beschädigen und ihre Leistung verringern kann, führt er nicht bei allen Batterien zu einem Sicherheitsversagen. Bei Batterien des Leistungstyps besteht das ursprüngliche Konstruktionsziel darin, dass sie bei hohen Temperaturen geladen und entladen werden können. Hohe Umgebungstemperaturen und hohe SOC-Zustände erhöhen die Wahrscheinlichkeit eines Sicherheitsversagens bei externen Kurzschlüssen