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Test de pénétration de la batterie lithium-ion dans les ongles

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Test de pénétration de la batterie lithium-ion dans les ongles

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Les batteries lithium-ion ont été largement utilisées dans les appareils portables, les équipements scientifiques, les véhicules de transport spatial et les systèmes satellitaires en raison de leur tension élevée et de leur énergie spécifique, de leur large plage de températures de fonctionnement, de leur longue durée de stockage, de l'absence de pollution environnementale et de l'absence d'effet de mémoire. Toutefois, si les batteries lithium-ion subissent des courts-circuits internes, des courts-circuits externes, une surcharge ou sont utilisées dans des environnements à haute température, la chaleur Joule et la chaleur de réaction à l'intérieur de la batterie augmentent fortement, entraînant des événements dangereux catastrophiques tels que des explosions, des incendies et un emballement thermique.

Afin de tester les performances de sécurité des batteries lithium-ion, les organisations concernées telles que Writers Laboratories, Japan Battery Association (JBA) et Chinese National Standards (GB) ont successivement développé des normes d'essai de sécurité pour les batteries lithium-ion. Les tests de sécurité couramment utilisés portent actuellement sur quatre aspects : les performances thermiques, les performances mécaniques, les performances électriques et les tests d'adaptabilité à des conditions environnementales extrêmes.

Le test de pénétration d'ongle est utilisé pour évaluer le court-circuit interne des batteries lithium-ion causé par le dépôt de lithium, les défauts de fabrication ou d'autres raisons, ou la situation d'objets ressemblant à des aiguilles perçant les batteries lithium-ion.

À l'heure actuelle, les accidents de sécurité causés par la pénétration d'un clou posent des problèmes liés à des mécanismes peu clairs et à une faible répétabilité. L'amélioration de la conception des batteries est une voie importante pour renforcer la sécurité des batteries lithium-ion en étudiant et en analysant le mécanisme et les facteurs d'influence de l'emballement thermique au cours du processus de pénétration de l'ongle dans la batterie. Cet article analyse et résume la situation de court-circuit interne dans les conditions de pénétration des clous, présente les méthodes de recherche existantes des expériences de pénétration des clous, analyse leurs avantages respectifs et propose enfin des méthodes pour améliorer le modèle de pénétration des clous en vue de la prochaine étape consistant à établir un modèle de pénétration des clous précis pour les batteries au lithium-ion en tant que référence.

1 Test de sécurité de la pénétration des ongles des batteries au lithium-ion

L'essai de pénétration de l'ongle des batteries au lithium-ion est effectué à l'aide d'une aiguille en acier de φ 5~ φ 8 mm résistante aux températures élevées (avec un angle de pointe de l'aiguille de 60 ° et une surface lisse sans rouille, couche d'oxyde et taches d'huile) qui doit être insérée à une vitesse de (25 ± 5) mm/s depuis la direction perpendiculaire à la plaque de l'électrode de la batterie, et la position de pénétration doit être proche du centre géométrique de la surface de pénétration de l'ongle (l'aiguille en acier reste dans la batterie). Le court-circuit à l'intérieur de la batterie doit être déclenché artificiellement et observé pendant un certain temps. Le test de pénétration du clou est illustré à la figure 1. Si la pile ne prend pas feu, ne fume pas et n'explose pas, elle réussit le test de pénétration des clous. Dans le cas contraire, elle ne passera pas l'épreuve. L'expérience de pénétration des clous étudie principalement les effets du taux de pénétration des clous, de la position de pénétration des clous, de l'état de charge, de la capacité de la batterie, etc. sur la sécurité de la batterie.

Au cours du processus de pénétration du clou des batteries lithium-ion, des courts-circuits internes peuvent être provoqués dans quatre situations différentes

(1) Un court-circuit interne se produit entre les collecteurs de courant positif et négatif (feuille d'aluminium et feuille de cuivre)

(2) Il se produit entre la feuille d'aluminium et l'électrode négative

(3) Un court-circuit interne se produit entre les électrodes positives et négatives

(4) Entre la feuille de cuivre et l'électrode positive.

D'autre part, au cours du processus de pénétration des clous dans les batteries lithium-ion, plus d'un type de court-circuit interne est souvent déclenché, et la situation du court-circuit interne évolue également avec le temps. C'est la raison sous-jacente du manque de clarté du mécanisme de court-circuit interne et de la faible répétabilité pendant le processus d'essai de pénétration des clous des batteries au lithium-ion.

Selon les connaissances actuelles, le processus de base du court-circuit interne causé par les batteries lithium-ion pendant le processus de pénétration des clous est le suivant : Premièrement, la chaleur Joule générée par le court-circuit interne provoque une augmentation rapide de la température locale de la batterie. Lorsque la température atteint une certaine valeur, elle provoque la décomposition de la membrane SEI (80-120 ℃) et la fusion de la membrane (165 ℃). La décomposition des membranes SEI et la fusion des membranes génèrent plus de chaleur, ce qui favorise la décomposition de l'électrolyte (130-300 ℃) et la réaction de réduction de l'électrode négative (100-400 ℃), tandis que la réaction d'oxydation de l'électrode positive (160-400 ℃) conduit finalement à un chauffage incontrôlé.

Les paramètres qui doivent être testés dans le cadre de l'essai de sécurité de la pénétration des clous sont les suivants

(1) les changements de température à différentes positions des batteries lithium-ion pendant le processus de pénétration de l'ongle

(2) les variations de tension dans les batteries lithium-ion pendant le processus de pénétration des ongles

(3) La vitesse d'auto-échauffement, la température initiale d'emballement thermique, le niveau de réaction et le coefficient d'Arrhenius des batteries au lithium-ion pendant le processus de perçage.

Ces paramètres sont utilisés pour analyser les réactions possibles qui peuvent se produire pendant le processus de pénétration des batteries au lithium-ion dans l'ongle, ainsi que l'apparition d'un emballement thermique. À l'heure actuelle, des groupes de recherche nationaux et étrangers ont analysé le processus et son impact sur la sécurité des batteries sous différents angles par le biais d'expériences de pénétration de l'ongle.

2 Résultats des tests réels

Un test de pénétration d'ongle a été effectué sur une batterie lithium-ion 18650 d'une capacité de 22 Ah et a montré que la probabilité que la batterie lithium-ion passe le test de sécurité augmentait avec le taux de pénétration de l'ongle. Après avoir étudié l'effet de la vitesse de l'aiguille sur la sécurité des batteries lithium-ion en Chine, on estime que la vitesse de l'aiguille a un impact relativement faible sur la sécurité de l'aiguille des batteries cylindriques, mais qu'elle a un impact significatif sur la sécurité des batteries d'alimentation souples. Plus précisément, plus la vitesse de pénétration de l'aiguille est élevée, plus le risque d'emballement thermique de la batterie est important. Certains pensent que lorsque la vitesse de pénétration de l'aiguille est plus lente, la production locale de chaleur de la batterie est plus importante.

On peut constater que les conclusions des trois travaux susmentionnés ne sont pas cohérentes. De nombreuses raisons peuvent être à l'origine de cette situation. Premièrement, les structures d'enroulement et d'empilage sont différentes, la pile de type enroulement ayant un contact plus étroit entre les couches. Deuxièmement, lorsque la vitesse de pénétration du clou est faible, d'une part, l'extensibilité du diaphragme protège la batterie et empêche l'apparition de courts-circuits internes. D'autre part, après l'apparition d'un court-circuit interne, la durée du courant local élevé augmente. En outre, différentes épaisseurs de feuilles de cuivre, de feuilles d'aluminium, d'électrodes positives et négatives et de séparateurs peuvent également conduire à des résultats d'essai différents à différentes vitesses de perçage de l'aiguille.

Les chercheurs ont effectué des tests de perforation sur des batteries lithium-ion entièrement chargées en utilisant des aiguilles cubiques en acier de 40 mm x 1,5 mm x 1,5 mm à partir de différentes positions de la batterie. Ils ont constaté que la position au milieu du bord vert de la batterie, loin de la direction de l'oreille du pôle, provoquait la plus forte augmentation de température et présentait la plus mauvaise sécurité. Ils pensent que la principale raison de ce phénomène est la mauvaise conductivité thermique du séparateur du bord de la batterie, qui limite la dissipation thermique des batteries lithium-ion.

Des essais de pénétration de clous ont été réalisés sur des batteries lithium-ion 18650 d'une capacité nominale de 22 Ah à différents états de charge. Il a été constaté que plus l'état de charge diminue, plus la probabilité que les batteries lithium-ion passent les tests de sécurité augmente. En effet, plus l'état de charge est élevé, plus la tension initiale de la batterie est importante. Cela augmente encore le courant de court-circuit interne et prolonge le temps de court-circuit. Par conséquent, la sécurité des tests de pénétration des clous des batteries au lithium-ion se dégrade.

Une analyse de pénétration des clous a été effectuée sur des batteries lithium-ion 604-1104 m Ah entièrement chargées et a révélé que plus la capacité de la batterie est élevée, plus la sécurité de l'essai de pénétration des clous pour les batteries lithium-ion est mauvaise.

En outre, ils ont effectué une analyse des essais de pénétration des clous sur des batteries lithium-ion polymères utilisant des séparateurs en céramique. Ils ont recueilli la température de plusieurs batteries avec différents SOC dans la zone de pénétration de l'ongle et la surface de la batterie, les changements de tension des batteries et l'état de bavure des batteries au lithium-ion après la pénétration de l'ongle. Sur cette base, ils ont analysé le mécanisme de pénétration de l'ongle. On pense que le processus de pénétration de l'aiguille dans la batterie entraîne la connexion des bavures d'aluminium et des bavures de cuivre, formant un court-circuit interne entre la feuille d'aluminium et la feuille de cuivre.

La température de la zone de court-circuit locale augmente avec la production de chaleur par effet Joule. Si la température atteint la température de fusion de l'aluminium, les bavures d'aluminium fondent et brûlent, provoquant un court-circuit avec les bavures de cuivre. On peut les résumer en trois modèles : Le modèle A, dans lequel les fraises en aluminium fondent et les fraises en cuivre n'entrent plus en contact. Les bavures d'aluminium du modèle B n'ont pas fondu et ont formé un court-circuit interne au contact des bavures de cuivre. Les bavures d'aluminium du modèle C ne fondent pas complètement et, après un certain temps, elles entrent à nouveau en contact avec les bavures de cuivre, formant un court-circuit interne. Les chercheurs estiment que la modification de la combustion et de la fusion des bavures d'aluminium constitue une nouvelle orientation pour la conception de la sécurité des batteries.

Les chercheurs ont non seulement enregistré la température à proximité de l'aiguille de la batterie, la température de l'électrode et la tension de la batterie lors de l'expérience de pénétration de l'ongle, mais ils ont également enregistré les changements de pression à la surface de la batterie et ont trouvé une correspondance claire entre le pic de pression à la surface de la batterie et le pic de température à la surface de la batterie.

Ils pensent qu'en plus de la tension et de la température de la batterie, la sécurité de la batterie peut également être décrite en augmentant d'autres grandeurs de mesure telles que la pression. L'expérience ci-dessus permet d'analyser de manière plus réaliste la pénétration des clous dans les batteries lithium-ion grâce à des méthodes expérimentales. Cependant, le type de court-circuit qui se produit à l'intérieur de la batterie pendant le test de pénétration des clous n'est qu'une spéculation et n'est pas bien étayé sur le plan théorique. Le modèle de pénétration des clous des batteries lithium-ion est une autre méthode pour analyser le mécanisme de pénétration des clous des batteries lithium-ion et améliorer leurs performances en matière de sécurité.

3 Conclusion

Cet article résume l'analyse expérimentale du processus de pénétration de l'aiguille dans les batteries lithium-ion. La modélisation et la simulation du processus de pénétration de l'aiguille dans la batterie est un outil important pour étudier le mécanisme de pénétration de l'aiguille dans la batterie, pour améliorer la conception de la structure de la batterie et pour améliorer la performance de la sécurité de la batterie. À l'heure actuelle, la méthode expérimentale ne permet pas d'indiquer clairement le problème de sécurité lié à la pénétration des clous dans les batteries. Cependant, les modèles de pénétration des clous existants ne sont pas suffisants pour décrire avec précision le processus de pénétration des clous et le court-circuit interne causé par les batteries lithium-ion. Par conséquent, l'amélioration et le perfectionnement du modèle de pénétration des clous des batteries lithium-ion est un moyen important d'améliorer l'analyse de la sécurité des courts-circuits internes dans les batteries.