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Test de stabilité thermique des batteries au lithium - Partie 1

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Test de stabilité thermique des batteries au lithium - Partie 1

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Depuis l'application commerciale des batteries lithium-ion, la technologie n'a cessé de progresser et a été largement utilisée dans les véhicules électriques, le stockage de l'énergie, l'information électronique et d'autres domaines, ce qui a grandement favorisé le développement de la société humaine. Cependant, dans le même temps, différentes formes d'explosions et d'incendies se sont produites, ce qui a suscité des inquiétudes quant à la sécurité de l'utilisation des batteries lithium-ion. Des chercheurs ont déjà mené des recherches approfondies sur les risques d'incendie liés aux batteries lithium-ion.

En effectuant des tests de propagation de la combustion sur des stations de recharge et d'échange de véhicules électriques, la stabilité thermique de différents types de batteries lithium-ion a été comparée et analysée. Il a été constaté que la stabilité thermique des matériaux ternaires au lithium est inférieure à celle du phosphate de fer lithié et de l'oxyde de manganèse lithié, et que leur température de combustion est plus susceptible d'atteindre sa valeur maximale dans un court laps de temps. En outre, des études ont montré que le risque d'explosion thermique des batteries lithium-ion est étroitement lié à l'état de charge (SOC) de la batterie, et que le risque augmente généralement avec l'augmentation du SOC.

Pendant le stockage, le transport et l'utilisation des batteries au lithium, un échauffement accidentel peut les exposer à un environnement chaud, ce qui présente un risque d'abus thermique. L'expérience montre que la température critique équivalente pour l'emballement thermique des piles au lithium se situe entre 123,8 et 139,2 ℃. Dans des conditions de surchauffe, les substances actives à l'intérieur des piles au lithium sont renforcées, ce qui peut facilement déclencher des réactions chimiques exothermiques entre les matériaux de la pile, entraînant un chauffage interne rapide dépassant la valeur critique et provoquant un emballement thermique et l'inflammation de la pile. Afin de simuler un environnement surchauffé, le chauffage externe est une méthode d'essai couramment utilisée qui peut accélérer la simulation du processus d'abus thermique des piles au lithium.

Cependant, la littérature se concentre principalement sur les caractéristiques d'emballement thermique et de combustion des batteries lithium-ion individuelles dans des conditions de surchauffe, et il y a encore un manque de recherche sur l'abus thermique des packs de batteries modulaires. Cet article utilise un four de chauffage pour simuler le processus d'abus thermique des batteries adjacentes après l'emballement thermique de la batterie ternaire au lithium 18650, analyse les caractéristiques de combustion et le comportement au feu de la batterie au lithium sous différentes positions de chauffage et conditions de puissance de chauffage, et fournit des conseils théoriques et des données pour l'utilisation sûre de la batterie ternaire au lithium 18650 et le développement d'une technologie efficace d'extinction des incendies.

1 Préparation du test

1.1 Type de batterie

Cet article adopte comme objet de recherche un bloc-batterie ternaire au lithium-ion, d'une longueur de 240 mm, d'une largeur de 220 mm, d'une hauteur de 85 mm et d'un poids de 7 kg. La tension de la batterie en fonctionnement normal est de 48 V, avec une capacité nominale de 30 Ah. Il est composé de 156 (12 x 13) éléments de batterie 18650 standard, chacun ayant une hauteur de 65 mm et un diamètre maximum de 18,4 mm. Avant l'essai, retirez l'emballage extérieur de la batterie, car il est fait d'un matériau ignifuge et ne peut pas enflammer la batterie au lithium par un échauffement externe. En outre, les circuits internes et le système de gestion de la batterie restent inchangés, et l'état de charge (SOC) de la batterie est de 100 %.

1.2 Disposition du test

L'ensemble de l'essai a été réalisé dans un espace confiné étroit, d'une longueur de 12 mètres, d'une largeur de 2 mètres et d'une hauteur de 2,4 mètres, comme le montre la figure 2. Les deux côtés longitudinaux de l'espace confiné sont munis de portes qui restent fermées pendant l'essai.

Une fenêtre d'observation de 1,2 m de long et de 0,6 m de haut est installée au milieu du côté, et un ventilateur d'évacuation des fumées est installé sur la partie supérieure du mur opposé pour maintenir la ventilation pendant le test. Un total de 11 buses à brouillard d'eau sont installées sur le dessus de l'espace confiné, avec un intervalle de 1 m entre les buses, pour effectuer des tests d'extinction d'incendie par brouillard d'eau et servir de mesures d'extinction et de refroidissement de secours pour empêcher une combustion incontrôlée pendant les incendies.

Placez la batterie au lithium horizontalement sur un support, le pôle positif orienté vers le haut. Le support est une structure en treillis qui facilite le chauffage par le bas de la batterie. Deux méthodes de chauffage ont été utilisées lors du test :

(1) Le four de chauffage est situé au bas de la batterie au lithium, et la surface chauffante du four électrique se trouve à 8 cm de la surface inférieure de la batterie. Il chauffe continuellement l'électrode négative sur la surface inférieure de l'élément de batterie ;

(2) Le four électrique est situé sur le côté de la batterie au lithium, à 8 cm de distance, et chauffe continuellement le côté de la batterie. La surface de chauffe effective du four électrique est de 12 cm de long, 12 cm de large et a une superficie de 144 cm²， La puissance de chauffe est réglable de 0 à 2000 W.

Le processus d'utilisation d'une source de chaleur externe pour chauffer la batterie au lithium et provoquer l'allumage consiste à ouvrir le four électrique pour un chauffage continu jusqu'à ce que la batterie au lithium prenne feu, puis à couper l'alimentation et à arrêter le chauffage.

Lors du test, quatre couples thermiques blindés en forme de K (T 1, T 2, T 3, T 4) ont été placés à l'intérieur de la batterie, avec un diamètre de 1 mm. Le couple thermique a été placé au milieu de l'élément de batterie, à 30 mm du fond, afin de recueillir les changements de température à différentes positions de l'élément de batterie. Cependant, pour le chauffage par le bas et le chauffage latéral, l'emplacement du couple thermique n'était pas le même. En outre, une caméra haute définition est installée à l'avant pour enregistrer le processus de propagation de la combustion du bloc-batterie.

1.3 Conditions d'essai

Au total, 5 essais ont été réalisés. La méthode de chauffage pour les essais 1 à 3 est le chauffage par le bas, tandis que le chauffage latéral est utilisé pour les essais 4 et 5, principalement pour étudier l'influence des différentes positions de chauffage sur les caractéristiques de propagation de la combustion des batteries au lithium. Sur cette base, une série d'essais d'extinction d'incendie, à savoir l'essai 3, a été réalisée en utilisant le brouillard d'eau comme méthode d'extinction. Les essais 1 et 2 ont été répétés en utilisant la méthode de chauffage par le bas. En outre, les essais 3 et 5 ont une puissance de chauffage plus élevée de 2 kW par rapport aux trois autres groupes, utilisés pour étudier les changements de température interne et les caractéristiques de combustion des batteries au lithium dans des conditions d'augmentation de la puissance de la source de chaleur externe.