Test d'abus thermique pour les batteries lithium-ion

Test d'abus thermique pour les batteries lithium-ion

1.Sécurité des batteries lithium-ion en cas de surchauffe

Les problèmes de sécurité des batteries lithium-ion se manifestent principalement par des incendies et des explosions provoqués par une chaleur incontrôlée. Les causes de l'emballement thermique peuvent être divisées en conditions externes et conditions internes. La température interne de la batterie augmente également lorsque la température externe augmente. Lorsque la température atteint un certain niveau, le diaphragme se ferme thermiquement et les pôles positif et négatif sont isolés pour des raisons de sécurité. Toutefois, si le diaphragme ne se ferme pas efficacement, s'il fond et se brise, ou si d'autres réactions exothermiques se produisent simultanément à l'intérieur de la batterie, de sorte que la température de la batterie continue à être élevée, cela peut entraîner des problèmes de sécurité. On peut constater que les problèmes de sécurité causés par la surchauffe sont le résultat de l'action globale des conditions internes et externes.

Par exemple, lorsque la température de la batterie au cobaltate de lithium dépasse la limite de sécurité (telle que 150 ℃), il est très facile de provoquer un incendie ou une explosion de la batterie en raison de la stabilité thermique du diaphragme et de la réaction d'oxydation violente de l'électrolyte et de l'électrode positive.

2.Méthode d'essai pour la surchauffe des batteries lithium-ion

À l'heure actuelle, les normes d'évaluation de la sécurité des batteries lithium-ion comprennent principalement des normes internationales (telles que les normes CEI), des normes nationales ou régionales (telles que les normes JIS, GB, EN, etc.) et des normes industrielles (telles que les normes UL, IEEE, SJ, QB, etc.). Dans ces normes, beaucoup ont utilisé le "test d'abus thermique" pour évaluer la sécurité des batteries lithium-ion dans des conditions de surchauffe. Par exemple, la méthode de test d'abus thermique spécifiée dans la norme IEC 62133:2002 est la suivante : "Après stabilisation de la batterie entièrement chargée à la température ambiante, la placer dans un thermostat à convection naturelle ou à circulation d'air, et le thermostat est chauffé à 130 ℃ ± 2 ℃ à la vitesse de 5 ℃/min ± 2 ℃/min. Maintenez cette température et arrêtez le test après 10 minutes pour vérifier si la batterie est en feu ou explose." Ces normes sont fondamentalement cohérentes avec la méthode d'essai pour le test d'abus de chaleur, seules les conditions d'essai sont légèrement différentes.

La norme relative aux batteries lithium-ion, qui a été inventée quelques années après l'invention de la batterie lithium primaire, a également été formulée après la norme relative à la batterie lithium primaire. De nombreux tests de sécurité des batteries lithium-ion s'inspirent également de la batterie lithium primaire. L'essai de résistance à la chaleur des batteries lithium-ion est issu de l'essai de résistance à la chaleur des batteries au lithium primaire. Par exemple, l'épreuve d'abus de chaleur des batteries lithium-ion dans la CEI 62133 est fondamentalement cohérente avec l'épreuve d'abus de chaleur des batteries primaires au lithium dans la CEI 60086-4 Piles primaires - Partie 4 : Exigences de sécurité pour les piles au lithium, qui a été développée plus tôt.

3.Analyse des conditions d'essai

3.1 Analyse du temps de maintien à haute température

Dans les normes existantes, la méthode d'essai de la batterie lithium-ion consiste essentiellement à "chauffer l'incubateur à une certaine température élevée à une certaine vitesse et à maintenir cette température pendant un certain temps". Le temps de maintien de cette méthode d'essai commence lorsque la température de l'incubateur atteint une certaine température élevée. Toutefois, cette méthode n'est pas équitable pour les différentes piles, en particulier pour les piles de différentes tailles. La vitesse de chauffage des différentes piles n'est pas nécessairement la même. En raison de la grande différence entre le taux de transfert de chaleur de la batterie lithium-ion et de l'air, la vitesse de chauffage de la batterie est inférieure à celle du thermostat. La température de la batterie lithium-ion ne peut pas correspondre complètement à la température du thermostat. Par conséquent, lorsque la température de l'incubateur atteint un certain niveau, il faut un certain temps pour que la batterie maintienne la même température que l'incubateur. Étant donné que le matériau, la forme, la taille et la qualité de la batterie sont différents, le temps d'équilibre nécessaire est également différent.

Quatre batteries lithium-ion typiques sont sélectionnées comme échantillons : une batterie carrée de petite capacité, une batterie cylindrique, une batterie carrée de grande capacité et une batterie polymère. Placer l'échantillon dans un incubateur, qui chauffe jusqu'à 130℃ à un taux de 5℃/min et le conserve pendant un certain temps.

Par comparaison, on peut conclure que la vitesse d'augmentation de la température des différentes batteries est très différente, en particulier pour les grandes batteries, le temps d'équilibre thermique est plus long. Après que la température de l'incubateur ait atteint le maximum et soit restée pendant 10 minutes, la température de la surface des autres cellules, à l'exception de l'échantillon (cellule polymère), n'a pas encore atteint la température maximale.

En résumé, il n'est pas identique pour les différentes piles de commencer à chronométrer lorsque la température de l'incubateur augmente jusqu'à une certaine température. En particulier pour les grandes batteries, l'objectif du test et de l'évaluation n'a pas été atteint parce que la batterie n'a pas atteint la température de test. Cependant, il est plus raisonnable de surveiller la température de surface de la batterie pendant le test et de prendre la température de surface de la batterie atteignant une certaine température comme condition de départ pour le chronométrage, mais il est difficile de fonctionner car le temps d'équilibre de chaque échantillon peut être légèrement différent lorsqu'au moins trois échantillons sont testés en même temps. Le type de batterie utilisé dans les produits électroniques actuels fait l'objet d'un examen approfondi et rigoureux. Il est plus approprié de prendre la température de l'incubateur comme condition de test après avoir atteint une certaine température et l'avoir maintenue pendant 30 minutes.

3.2 Analyse de la température maximale d'essai

La température maximale que les différents matériaux de la batterie peuvent supporter est différente, et le fait de pouvoir supporter une température plus élevée signifie que la batterie est plus sûre dans des conditions de surchauffe. Les caractéristiques thermiques des matériaux de la membrane sont très importantes pour la sécurité thermique des batteries lithium-ion, et la température maximale que les différents matériaux de la membrane peuvent supporter est également différente. Les matériaux de membrane couramment utilisés sont le PE, le PP et le PE-PP-PE, qui peuvent supporter une température maximale de 130 ℃~150 ℃. La sécurité contre la surchauffe des piles fabriquées par ces entreprises est également incohérente. Les quatre échantillons de piles susmentionnés ont été soumis à des tests de résistance à la chaleur à 130 ℃, 140 ℃, 145 ℃ et 150 ℃ respectivement.

L'essai réel montre que dans l'essai d'abus de chaleur à 130 ℃, la batterie n'a pratiquement pas eu de réaction exothermique propre après l'équilibre thermique, ce qui a entraîné une augmentation spontanée de la température, tandis que dans l'essai à 135 ℃, 140 ℃, 145 ℃ et 150 ℃, sa propre réaction exothermique s'est produite à des degrés divers, et plus la température de l'essai est élevée, plus la réaction exothermique est intense. Avec l'augmentation de la température d'essai, la réaction d'auto-échauffement de la batterie s'intensifie progressivement, et l'évaluation de la sécurité est plus sévère, et le risque d'incendie et d'explosion est accru.

Il ressort de ce qui précède que la température de 130 ℃ ne peut être utilisée que comme température d'essai de base pour l'évaluation de l'abus de chaleur. Dans le même temps, la température d'essai peut également être augmentée en fonction des différentes occasions d'utilisation de la batterie. En outre, le test montre également que si la température de la batterie augmente jusqu'à la température définie, si le chauffage n'est pas arrêté immédiatement, il sera maintenu à la température définie pendant un certain temps pour s'assurer qu'une réaction autothermique suffisante peut se produire afin de mieux évaluer sa sécurité en cas de surchauffe.

4.Conclusion

Les problèmes de sécurité des batteries lithium-ion sont principalement dus à l'emballement thermique. Pour les batteries lithium-ion utilisées dans des occasions spéciales, on peut également envisager d'évaluer davantage la sécurité des batteries lithium-ion en augmentant la température d'essai, en prolongeant la durée de maintien à haute température et en appliquant d'autres méthodes pour renforcer les conditions d'essai.