Pourquoi devons-nous faire le test de pénétration des clous ?

Pourquoi devons-nous faire le test de pénétration des clous ?

L'épreuve de pénétration des clous, une méthode d'essai de court-circuit interne, est une épreuve de sécurité qui teste la tolérance aux courts-circuits internes des batteries lithium-ion.

Le test de pénétration de l'aiguille est un test qui utilise un clou en acier à travers la batterie pour simuler un court-circuit interne afin de confirmer si la batterie fume, prend feu ou se brise. En outre, le test de pénétration d'aiguille n'est pas seulement un test pour confirmer la sécurité de la batterie, mais aussi un test pour comprendre la nature fondamentale de la batterie.

À l'état normal, les feuilles d'électrode positive et négative d'une batterie lithium-ion sont isolées par un film isolant polymère - le diaphragme - dans l'électrolyte organique. Dans cet état, un clou en acier est inséré dans la batterie lithium-ion pour créer un court-circuit entre les plaques d'électrodes positives et négatives, forçant un test de court-circuit interne. La méthode d'essai est caractérisée par la possibilité d'ajuster les conditions d'essai telles que le diamètre, le matériau, la profondeur d'insertion, la position d'insertion et la vitesse d'insertion du clou en acier inséré à l'intérieur de la batterie.

Les dangers de la pénétration des clous

Le fait que les batteries lithium-ion doivent être testées avec une piqûre d'épingle signifie qu'elles sont extrêmement sensibles aux courts-circuits internes et qu'elles seront dans un état très dangereux si un court-circuit se produit. Les batteries au lithium-ion présentent les caractéristiques suivantes : haute densité d'énergie, faible résistance interne et courant traversant admissible élevé, ce qui les rend très dangereuses. En général, un court-circuit interne se produit pendant l'utilisation de la batterie parce que le processus de fabrication est mélangé à des matières étrangères conductrices, ou par un impact ou un stress externe.

En réalité, une fois que le produit est fabriqué, il est difficile de prendre des mesures pour les courts-circuits internes dans le système de contrôle, y compris la charge et la décharge de la batterie, et les circuits. Lorsqu'un court-circuit interne se produit, la batterie passe un énorme courant de court-circuit interne, qui génère ensuite de la chaleur Joule, et cette chaleur, à son tour, fait réagir l'électrolyte organique combustible et produit des gaz à haute température, ce qui entraîne une probabilité accrue d'emballement thermique.

Lorsque l'emballement thermique se produit, il y a de la fumée, un incendie. Dans les cas graves, une rupture se produit, mettant en danger la sécurité personnelle de l'utilisateur. Du point de vue de l'utilisateur, il est important de garantir la sécurité de la batterie pour l'application des batteries lithium-ion Le test Pinprick utilise des clous en acier insérés à l'intérieur de la batterie pour créer un court-circuit interne entre les électrodes positive et négative de manière relativement simple. Cependant, lorsque le clou est inséré dans la batterie pour former une perforation à la surface de la batterie, ce trou libère du gaz à haute température, ce qui entraîne un changement de l'état de dissipation de chaleur interne de la batterie, et il peut y avoir des différences avec la situation réelle de court-circuit interne.

Test de court-circuit sans formation de perforations et sans éjection de gaz

Cette méthode est appelée Blunt Nail Test (BNT). Cette méthode crée un court-circuit entre les matériaux d'électrode (feuilles d'électrode positive et négative) de la batterie par la pression de l'ongle, et la batterie n'est que légèrement déformée après le test. Par rapport au test habituel de la piqûre d'épingle, cette méthode peut créer un état plus proche du court-circuit interne réel.

Préparation du dispositif expérimental

Pour réaliser ce test, enfoncer manuellement un clou dans une batterie lithium-ion n'est certainement pas une option et ne doit pas être tenté à la légère - le clou pourrait s'envoler et causer des blessures aux mains et au corps. Il est donc nécessaire de construire une machine d'essai de clouage. À l'aide d'une presse à main d'établi disponible dans le commerce (pompe hydraulique requise séparément, pression maximale de 4000kg, course de 120mm, extension de course de 250mm de long), on a fabriqué un testeur de pénétration de clous qui peut s'adapter à 3 diamètres de clous en acier (φ3mm, φ5mm, φ8mm, 100mm de long). Ou bien vous pouvez acheter directement le testeur de pénétration de clous de DGBELL, et le testeur de pénétration de clous de DGBELL peut être fabriqué selon vos besoins.

Mesures de sécurité

En ce qui concerne la sécurité, vous devez vous assurer que le testeur peut être utilisé à une certaine distance, installer la pompe hydraulique ailleurs, et ajouter un gabarit d'insertion de clou à la tête de la barre d'extension de course pour fixer des clous de différentes tailles. Insérez le clou dans le gabarit, ajustez la position, puis utilisez le boulon pour le fixer. La vitesse d'insertion du clou, après plusieurs essais hydrauliques manuels, nous avons obtenu le résultat d'environ 0,7mm/s en mesurant la course et le temps de mouvement.

Résumé du test

Les bornes positive et négative de la batterie ont été connectées à un oscilloscope par l'intermédiaire d'une sonde d'observation pour observer la forme d'onde de la tension. La forme d'onde a été observée à l'aide d'un enregistreur à mémoire polyvalent (modèle Nikkei Electric 8855), et la sonde d'observation a été connectée à l'unité de tension et de courant (8951) installée dans l'enregistreur à mémoire.

Notes connexes

Nous testons ici trois types différents de batteries empilées (300mA-h, 1000mA-h, 2000mA-h). Les données à mesurer sont les suivantes.

- Variation de la tension aux bornes de la batterie en fonction du temps

- Température de la surface de la cellule présentée par imagerie thermique

- Modification de l'aspect et de la forme de la pile après l'aiguilletage (confirmée à l'œil nu) Avant de réaliser l'expérience, préparez soigneusement les mesures de prévention des incendies et les mesures de sécurité : évitez les éclaboussures, ombragez la zone autour de la machine d'essai, placez un extincteur à proximité, etc.

Mesure de la forme d'onde de la tension

Pour les batteries de différentes capacités, utilisez des clous en acier de différents diamètres pour le test de pénétration des clous. La variation de la tension aux bornes au fil du temps a été mesurée après l'essai de pénétration d'un clou sur une batterie laminée de 2000mA-h en utilisant un clou en acier de φ5mm.

Différences causées par les conditions d'aiguilletage

En incluant les résultats des tests ci-dessus, les faits suivants sont connus sur la base des résultats de plusieurs expériences.

(1) Au point d'aiguilletage, la tension aux bornes chute brusquement et diminue progressivement jusqu'à 0V, et la courbe de tension fluctue fortement lorsque la tension chute à un certain niveau.

(2) Les résultats des tests de différents types de batteries et de conditions d'aiguilletage varient pendant la phase allant du point d'aiguilletage au changement important de la tension aux bornes, mais la tension aux bornes chute à 0V après 10 à 20s.

(3) Pour une batterie de même capacité, plus l'aiguille est épaisse, plus la variation de la tension aux bornes est importante lors du test. Mesure de la température de surface de la batterie Après le brochage, la variation de la température de surface de la batterie laminée en fonction du temps peut être mesurée par thermographie infrarouge. Le changement de température de surface mesuré lorsque la batterie stratifiée de 2000mA-h est épinglée à l'aide d'un clou en acier de φ5mm.

Augmentation de la température après l'aiguilletage La température a dépassé 200°C lors du test d'aiguilletage d'une pile empilée de 2000mA-h à l'aide d'un clou en acier de φ5mm. Lors de l'essai sur l'échantillon de pile de 1000mA-h, un incendie s'est produit lorsqu'un clou de φ3mm a été utilisé. Dans le test de piqûre d'épingle avec un clou de φ5mm, le feu a été observé et la température de la batterie a augmenté de manière significative. De plus, la température maximale mesurée était inférieure à 100°C pour différentes cellules.

Bien que le testeur ne soit pas de niveau commercial et ne puisse être utilisé qu'à des fins expérimentales, il est possible d'effectuer des tests de piqûre d'épingle sur des batteries en utilisant ce testeur. Il est également possible d'utiliser un enregistreur à mémoire polyvalent, un oscilloscope numérique et une caméra thermique infrarouge pour mesurer la tension et la température des bornes de la batterie après l'aiguilletage. Ce test, en court-circuitant les bornes positives et négatives, convertit instantanément l'énergie électrique stockée à l'intérieur de la pile.