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Test de sécurité pour les piles au lithium

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Test de sécurité pour les piles au lithium

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La batterie lithium-ion présente les avantages suivants : énergie spécifique élevée, puissance spécifique élevée, plate-forme de tension élevée, faible autodécharge, longue durée de vie, faible pollution de l'environnement et absence d'effet mémoire. Elle a été largement utilisée dans les téléphones mobiles, les ordinateurs, les véhicules électriques, la technologie militaire, la technologie spatiale et d'autres domaines connexes. Cependant, les batteries lithium-ion présentent des risques potentiels pour la sécurité tout en apportant des avantages à l'humanité. Par exemple, les batteries lithium-ion peuvent provoquer des incendies, des explosions et d'autres risques dans des conditions d'utilisation abusive (surcharge, décharge excessive, court-circuit, extrusion, acupuncture, température élevée, etc.)

Ces dernières années, les accidents liés à la sécurité des piles au lithium-ion continuent de se produire, ce qui représente une grande menace pour la sécurité des personnes et des biens. La sécurité des batteries au lithium reste un problème urgent à résoudre. Du point de vue de la batterie au lithium elle-même, il s'agit d'un vecteur d'énergie qui présente des facteurs d'insécurité. Les processus de production de capacité différente et la normalisation ou non de la méthode d'utilisation affecteront grandement les performances de sécurité de la batterie.

Actuellement, il existe de nombreuses recherches sur l'influence des matériaux des électrodes positives et négatives, de l'électrolyte, du diaphragme et d'autres facteurs sur les performances de sécurité des batteries au lithium en Allemagne et à l'étranger, mais il y a peu de recherches sur l'influence de la structure des cellules et du matériau de l'enveloppe de la batterie sur les performances de sécurité des batteries au lithium. Dans cet article, l'influence de la structure de la cellule et du matériau de l'enveloppe de la batterie sur les performances de sécurité de la batterie au lithium a été étudiée en profondeur.

Les trois types de piles utilisés dans cette expérience sont la pile à coque en acier de type 18650, la pile à enveloppe souple de type bobinage et la pile à enveloppe souple de type laminé, avec une capacité de 2 Ah. La différence réside dans le fait que la structure des cellules de la batterie et la structure du matériau de la coque d'emballage sont divisées en type enroulé et type laminé. Les cellules de la batterie à boîtier en acier et de la batterie souple enroulée sont de structure enroulée, et les cellules de la batterie souple stratifiée sont de structure stratifiée. Les matériaux utilisés sont le film composite aluminium-plastique et l'acier nickelé.

Test de performance de sécurité

Dans cette étude, trois tests de court-circuit externe, d'acupuncture et de surcharge ont été utilisés pour caractériser les performances de sécurité de la batterie. Les trois tests de sécurité susmentionnés ont été réalisés conformément aux normes internationales. Dans des conditions de température ambiante, l'essai de pénétration des ongles est effectué avec la chambre d'essai de pénétration des ongles. La performance de surcharge est testée avec l'armoire d'essai.

Essai de court-circuit externe

Les résultats de l'essai montrent que la température de la batterie flexible laminée, de la batterie flexible bobinée et de la batterie 18650 à coque en acier augmente rapidement en cas de court-circuit externe, et que la température maximale est respectivement de 64, 82 et 102 ℃. En raison de la protection du diaphragme sec, bien que la batterie soit court-circuitée à l'extérieur, les deux pôles de la batterie affichent toujours une certaine tension au début. Lorsque la tension de la batterie passe à zéro, les températures de surface des trois types de batteries atteignent leurs températures maximales respectives. Lorsque le courant de court-circuit tombe à zéro, la décharge de la batterie s'arrête et la température de surface de la batterie redescend progressivement à la température ambiante. Il n'y a pas d'incendie ou d'explosion après le court-circuit des trois types de piles.

La soupape de sécurité de la batterie à coque en acier est ouverte et il y a une fuite de liquide. Aucun phénomène évident n'est constaté pour les deux autres types de piles. La raison de ce phénomène est qu'au moment où le fil de cuivre est connecté, les électrodes positives et négatives de la batterie forment un circuit fermé à travers le fil de cuivre, la tension diminue rapidement, le courant augmente instantanément, et le courant de court-circuit peut atteindre plus de 60 A. La chaleur générée par le courant important à travers la résistance interne de la batterie et l'accumulation de chaleur. La température de surface de la batterie augmente rapidement.

L'expérience de court-circuit permet de conclure que l'augmentation de température des trois types de batteries est différente. L'augmentation maximale de la température de la batterie à enveloppe en acier est la plus faible. Outre les conditions extrêmes telles que l'incendie et l'explosion comme critères de jugement, le changement de température à la surface de la piscine lunaire est également une donnée intuitive des résultats expérimentaux, qui permet de caractériser les avantages et les inconvénients de l'essai de court-circuit. Plus la température de la batterie est élevée, plus ses performances en matière de sécurité sont mauvaises. Les résultats ci-dessus montrent que la sécurité des piles des trois processus de production va d'un niveau élevé à un niveau faible, respectivement pour les piles souples laminées, les piles souples bobinées et les piles 18650 à coque en acier.

Test de pénétration des ongles

L'essai montre que la température de la pile souple enroulée et de la pile à enveloppe en acier de 18650 augmente à 190 ℃ et 239 ℃ respectivement en peu de temps, et que la pile à enveloppe en acier s'enflamme et brûle ; une grande quantité de fumée est émise par la pile souple enroulée, mais il n'y a pas d'incendie. La température de surface de la batterie diminue ensuite progressivement. Cependant, la batterie flexible laminée n'a pas fumé ni brûlé, et la température maximale n'était que de 82 ℃.

Le mécanisme de la réaction ci-dessus est le suivant : après la perforation de la batterie, l'aiguille en acier et les pièces des pôles positif et négatif de la batterie forment un circuit fermé, et un court-circuit interne instantané se produit. La tension aux deux extrémités de la pile tombe rapidement à zéro et le courant augmente fortement, générant une chaleur énorme. La température de surface augmente rapidement, ce qui entraîne une nouvelle expansion de la zone de court-circuit de fusion du diaphragme, provoquant un cercle vicieux.

La différence entre les résultats des piles souples bobinées et des piles 18650 à enveloppe en acier réside dans les différents matériaux de l'enveloppe d'emballage. La première utilise un film plastique en aluminium pour l'emballage et la seconde utilise de l'acier nickelé pour l'emballage. La raison pour laquelle la pression d'éclatement de la première est beaucoup plus faible que celle de la seconde est que le film composite en plastique d'aluminium de la batterie lithium-ion souple a une certaine ductilité et une faible résistance mécanique. En cas de court-circuit interne, la batterie est facile à gonfler et à évacuer, ce qui réduit le risque d'explosion. La batterie à coque en acier est une structure fermée qui produit une grande puissance explosive en cas d'explosion.

La différence entre les résultats de la batterie flexible enroulée et de la batterie flexible laminée réside dans la différence de structure de leurs cellules. La pile enroulée se compose d'une feuille positive, d'une feuille négative et de deux diaphragmes, qui sont enroulés par la machine à enrouler pour former une résistance interne d'environ 50 m Ω. Les cellules de la pile souple stratifiée sont empilées en alternance avec les plaques d'électrodes positives et négatives et le diaphragme, le diaphragme étant en forme de Z. La pile stratifiée est équivalente à de multiples plaques d'électrodes positives et négatives. La batterie laminée est équivalente à plusieurs batteries en parallèle, avec une résistance interne d'environ 10 mΩ.

En outre, comme le nombre de couches perforées du noyau électrique de type enroulement est supérieur à celui du noyau électrique stratifié, la zone de contact du court-circuit est plus grande et la chaleur générée est plus importante. Par conséquent, la température de surface de la batterie souple enroulée est supérieure de 108 ℃ à celle de la batterie souple stratifiée. En résumé, la batterie souple stratifiée présente les meilleures performances en matière de sécurité.

Conclusion

Les résultats de la recherche montrent que la batterie à boîtier en acier de type 18650 présente un grave phénomène d'inflammation et de combustion lors de l'expérience d'acupuncture. Au cours de l'essai de surcharge de 3 C,5 V, la batterie souple enroulée présente un phénomène de gonflement, d'inflammation et de combustion, tandis que la batterie souple stratifiée ne présente qu'un phénomène de gonflement. La batterie à boîtier en acier ne présente pas de risque de sécurité potentiel évident en raison de la protection de sa propre soupape de sécurité. Par conséquent, la structure de la cellule et le matériau de l'enveloppe de la batterie sont des facteurs importants qui influencent les performances de sécurité des batteries lithium-ion.