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Test d'emballement thermique des piles au lithium

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Test d'emballement thermique des piles au lithium

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Dans les batteries lithium-ion actuellement commercialisées, le processus de charge et de décharge de la batterie s'accompagne souvent d'une production de chaleur. Si la batterie génère trop de chaleur pendant le processus de charge et de décharge et ne peut pas la dissiper en temps utile, une dégradation significative et une dégradation des performances de la batterie peuvent se produire en raison de l'accumulation de chaleur pendant la charge et la décharge. Lorsque la température augmente au point de faire fondre le séparateur interne de la batterie, provoquant un court-circuit entre les électrodes positives et négatives, la batterie peut présenter un risque d'explosion et d'autres dangers. Par conséquent, l'étude de la loi de génération de chaleur et du comportement d'emballement thermique des batteries pendant la charge et la décharge est cruciale pour l'examen de la sécurité des batteries.

En général, pendant l'utilisation d'une batterie, la température de la batterie augmente de manière significative en raison de l'échange de chaleur entre la convection de l'air, la conduction de la chaleur et le milieu environnant. Mais pour étudier les performances de sécurité des batteries, il est nécessaire de prendre en compte le comportement de génération de chaleur des batteries dans des environnements extrêmement difficiles - les environnements adiabatiques. Dans un environnement isolé, il n'y a pas d'échange de chaleur entre la batterie et l'environnement, et la chaleur générée pendant le processus de charge et de décharge de la batterie est entièrement limitée au système de la batterie, ce qui est plus susceptible d'entraîner des risques pour la sécurité de la batterie.

La production de chaleur pendant le processus de charge et de décharge des batteries lithium-ion peut être divisée en deux parties : la chaleur réversible (Qrev) et la chaleur irréversible (Qirr). En mesurant l'effet thermique d'une batterie dans un état adiabatique, on peut non seulement comprendre la loi de production de chaleur de la batterie pendant la charge et la décharge, mais aussi calculer le bilan énergétique de la batterie pendant la charge et la décharge. Les chercheurs ont utilisé différentes méthodes telles que la calorimétrie et l'électrochimie pour obtenir la chaleur réversible et irréversible des batteries, et ont développé un modèle de génération de chaleur et une méthode de simulation thermique pour les batteries d'alimentation automobile. La calorimétrie accélérée est une méthode de test et d'analyse de la sécurité thermique des échantillons dans des conditions approximativement adiabatiques.

Avec l'utilisation généralisée des batteries lithium-ion, d'une part, les exigences en matière de durée de vie et de sécurité des batteries augmentent progressivement ; d'autre part, l'utilisation en cascade des batteries doit également tenir compte de leurs caractéristiques de sécurité. Il est donc urgent d'étudier les caractéristiques de sécurité des batteries à cycle de vie, de clarifier les conditions limites de sécurité et la relation d'efficacité énergétique des batteries tout au long de leur cycle de vie. Jusqu'à présent, de nombreuses études ont été menées sur les caractéristiques thermiques des nouvelles cellules de batterie, mais peu d'études ont été consacrées à l'impact du vieillissement sur la sécurité des batteries. Le vieillissement général peut être divisé en deux types : le vieillissement cyclique et le vieillissement de stockage.

Les chercheurs ont utilisé la calorimétrie pour étudier les caractéristiques de vieillissement et d'emballement thermique des batteries lithium-ion sous différents processus de stockage. Ils ont constaté que les paramètres clés de l'emballement thermique, tels que la température de départ exothermique et la température de départ de l'emballement thermique, augmentent avec le vieillissement de la batterie, tandis que le taux d'emballement thermique diminue. Les chercheurs ont également étudié le comportement d'abus de chauffage des batteries lithium-ion en état de marche et en panne dans des conditions de vieillissement cyclique, de stockage à haute température et de stockage à température ambiante, et ont détecté le processus d'explosion de gaz et les gaz toxiques émis après l'abus.

Cet article prend les batteries lithium-oxyde de cobalt comme objet de recherche, utilise un calorimètre à accélération (ARC) pour fournir un environnement adiabatique, teste la capacité thermique spécifique, la production de chaleur et l'emballement thermique des batteries, et étudie les caractéristiques thermiques. Étudier les processus de charge et de décharge et les processus d'emballement thermique des batteries dans des environnements adiabatiques sous différents cycles de vieillissement, et étudier l'influence du vieillissement sur les caractéristiques thermiques des batteries.

1 Test

La batterie est une batterie souple avec de l'oxyde de cobalt lithium (LCO) comme électrode positive et des microsphères de carbone mésophase (CMS) comme électrode négative, avec une capacité de 6,1 Ah et une tension de fonctionnement de 3,6 V

1.1 Essais de performance électrochimique

Test de capacité

La température d'essai est de (25 ± 5) ℃, et un système d'essai de charge et de décharge est utilisé pour les essais. La batterie est chargée à 4,2 V avec un courant de 0,1 C, puis passe à une charge à tension constante avec un courant complet inférieur ou égal à 0,01 C, et est laissée au repos pendant 10 minutes ; Déchargez la batterie à un courant constant de 0,1 C à 2,75 V, et répétez les cycles de charge et de décharge trois fois pour obtenir une capacité de décharge de 6,1 Ah.

Test en boucle

À une température ambiante de (25 ± 5) ℃, chargez la batterie à un courant de 0,5 C à 4,1 V, puis passez à une tension constante jusqu'à ce que le courant soit inférieur ou égal à 0,01 C, laissez-la reposer pendant 10 minutes, puis déchargez-la à un courant constant de 1 C à 2,75 V. Effectuez 500, 1 000 et 1 500 cycles selon ce système.

Essai de résistance interne en courant continu

À une température ambiante de (25 ± 5) ℃, déchargez la batterie à un courant constant de 0,5 C et effectuez un essai continu de résistance interne en courant continu toutes les 12 minutes de décharge (10% DOD). En utilisant un courant de 1,5 C pour une décharge par impulsions de 10 secondes, les valeurs de tension avant et à la 5e seconde de la décharge par impulsions sont prises pour calculer la résistance interne en courant continu R de la batterie sous différents états de charge.

1.2 Essai des caractéristiques thermiques de la batterie

Essai de capacité thermique spécifique

Effectuer un essai de capacité thermique spécifique de la batterie dans un calorimètre accéléré. La batterie est toujours dans un environnement adiabatique, chauffée par un élément chauffant à puissance constante, et la courbe de température de la batterie en fonction du temps est enregistrée. La vitesse d'élévation de la température de la batterie à l'état adiabatique est obtenue par ajustement linéaire de la courbe. Pour garantir la précision de la mesure, il convient de prélever deux échantillons de batterie et de prendre la moyenne des deux tests.

Essai de production de chaleur

Placer des batteries neuves ou usagées dans un calorimètre accéléré, équilibrer la température entre la batterie et la chambre adiabatique, et démarrer le système de charge et de décharge. La charge et la décharge sont effectuées dans un environnement adiabatique à différents courants de fonctionnement, et la température de surface de la batterie ainsi que la courbe de la tension de la batterie au cours du processus de charge et de décharge sont collectées

Essai d'emballement thermique

Effectuer un essai d'emballement thermique sur la batterie à 100 % SOC dans un calorimètre accéléré, faire fonctionner le mode H-W-S dans un état adiabatique pour chauffer la batterie, et détecter simultanément la vitesse d'auto-échauffement de la batterie. Lorsque la vitesse d'auto-échauffement de la batterie est ≥ 0,02 ℃/min, on considère qu'une réaction d'auto-échauffement s'est produite à l'intérieur de la batterie. L'instrument cesse de chauffer activement et passe en mode adiabatique, suivant l'augmentation de température de la batterie jusqu'à ce que l'emballement thermique se produise. Recueillir simultanément la température de surface de la batterie et la courbe de variation de la tension de la batterie dans le temps pendant le processus d'emballement thermique.

2. Conclusion

La génération de chaleur et le comportement d'emballement thermique pendant le processus de charge et de décharge des batteries LCO / CMS ont été étudiés à l'aide d'un calorimètre adiabatique accéléré. Nous avons étudié le comportement de génération de chaleur des batteries à différents taux de charge et de décharge, et analysé les effets du courant de travail et du vieillissement cyclique sur les caractéristiques de génération de chaleur des batteries. Avec le vieillissement cyclique de la batterie, la résistance interne et la perte de capacité de la batterie augmentent, et le taux moyen de génération de chaleur lors de la charge et de la décharge ainsi que la génération totale de chaleur de la batterie augmentent tous deux.

En comparant le comportement d'emballement thermique des batteries avant et après le cyclage, on a constaté que la température de départ de l'auto-échauffement augmentait légèrement après le vieillissement cyclique, tandis que la température de départ de l'emballement thermique restait fondamentalement inchangée. Cependant, le temps entre l'auto-échauffement et l'emballement thermique des batteries a été raccourci. En ce qui concerne le comportement d'emballement thermique des batteries, il est non seulement nécessaire de prêter attention aux points de température clés tels que la température de départ de l'auto-échauffement et la température d'emballement thermique, mais aussi de mesurer avec précision le taux de génération de chaleur et le temps du processus d'emballement thermique, afin d'évaluer le comportement d'emballement thermique des batteries tout au long de leur cycle de vie.

En analysant les changements dans la production de chaleur et le taux de production de chaleur pendant le processus de charge et de décharge des batteries sous différents cycles de vieillissement, les effets des changements d'entropie et d'enthalpie sur les batteries sont analysés. Les variations des paramètres thermodynamiques sont utilisées comme méthode d'essai non destructive pour refléter le degré de dégradation de la batterie et évaluer son état de santé.