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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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L'importance du test de pénétration des clous

Le test de pénétration des clous est une méthode d'essai de court-circuit interne qui permet de tester la sécurité des batteries lithium-ion face aux courts-circuits internes. Des clous en acier sont utilisés pour pénétrer dans la batterie, simuler un court-circuit interne et effectuer un test pour confirmer si la batterie fume, prend feu ou se brise. En outre, le test de pénétration des clous n'est pas seulement un test pour confirmer la sécurité de la batterie, mais aussi un test pour comprendre les propriétés de base de la batterie.

Dans des conditions normales, les plaques d'électrodes positives et négatives des batteries lithium-ion sont isolées par un film polymère isolant dans l'électrolyte organique - un séparateur. Dans cet état, l'insertion d'un clou en acier à l'intérieur de la batterie lithium-ion crée un court-circuit entre les plaques d'électrodes positives et négatives, ce qui impose un test de court-circuit interne. La caractéristique de cette méthode d'essai est qu'elle permet d'ajuster les conditions d'essai telles que le diamètre, le matériau, la profondeur d'insertion, la position d'insertion et la vitesse d'insertion des clous en acier insérés dans la batterie.

Le danger de la pénétration des clous

La nécessité de tester la pénétration des clous dans les batteries lithium-ion signifie qu'elles sont sujettes à des courts-circuits à l'intérieur, et que si un court-circuit se produit, elles seront dans un état très dangereux. Les batteries lithium-ion présentent les caractéristiques suivantes : haute densité énergétique, faible résistance interne et flux de courant élevé, ce qui les rend très dangereuses. En règle générale, les courts-circuits internes dans les piles en cours d'utilisation sont causés par la présence de corps étrangers conducteurs au cours du processus de fabrication, ou par un impact ou une contrainte externe.

En réalité, une fois qu'un produit est fabriqué, il est difficile de prendre des mesures contre les courts-circuits internes dans les systèmes de contrôle, y compris les circuits de charge et de décharge des batteries. Lorsqu'un court-circuit interne se produit, un énorme courant de court-circuit est généré à l'intérieur de la batterie, qui génère à son tour de la chaleur par effet Joule. Cette chaleur provoque une réaction des électrolytes organiques inflammables, produisant des gaz à haute température et augmentant la probabilité d'un emballement thermique. En cas d'emballement thermique, de la fumée et un incendie peuvent se produire et, dans les cas les plus graves, la batterie peut se rompre, mettant en danger la sécurité personnelle de l'utilisateur.

Du point de vue de l'utilisateur, il est essentiel de garantir la sécurité de la batterie pour l'application des batteries lithium-ion. Le test à l'aiguille consiste à insérer des clous en acier dans la batterie, ce qui peut facilement créer un court-circuit interne entre les électrodes positives et négatives. Cependant, lorsque le clou est inséré dans la batterie pour former un trou à la surface de la batterie, ce trou libère un gaz à haute température, provoquant un changement dans l'état de dissipation thermique interne de la batterie, qui peut différer de la situation réelle de court-circuit interne.

Test du clou émoussé

L'essai obligatoire de court-circuit interne utilise une tige sphérique au sommet, qui est une méthode d'essai permettant de créer un court-circuit interne (petit court-circuit) sans provoquer de perforation sur la surface de la batterie, connue sous le nom d'essai au clou émoussé. Cette méthode crée un court-circuit entre les électrodes (plaques positives et négatives) de la batterie par la pression des clous, ce qui n'entraîne qu'une légère déformation de la batterie testée. Par rapport au test de pénétration des clous habituel, cette méthode peut créer un état plus proche du court-circuit interne réel.

Préparation de la chambre d'essai

Pour réaliser ce test, il n'est absolument pas possible d'insérer manuellement des clous dans les batteries lithium-ion. N'essayez pas de le faire facilement - les clous pourraient s'envoler et causer des blessures aux mains et au corps. Il est donc nécessaire d'utiliser une machine d'essai à aiguille. La chambre d'essai de pénétration des clous DGBELL utilisée ici (avec une pression maximale de 20 k N et une course de 200 mm) a été conçue pour pouvoir installer des clous en acier de deux diamètres différents（ φ 3 mm φ 5 mm, 100 mm)

Mesures de sécurité

Pour des raisons de sécurité, la machine d'essai est dotée d'une fonction antidéflagrante afin d'éviter que les incendies et les explosions de batteries ne mettent en danger la sécurité du personnel d'essai. Pour des raisons de prix, la machine d'essai peut être équipée de moteurs hydrauliques et de servomoteurs informatiques. Les moteurs hydrauliques sont faciles à utiliser, tandis que les servomoteurs peuvent être réglés avec des conditions d'essai plus détaillées, ce qui se traduit par une plus grande précision. Équipé d'un système d'acquisition de température et de tension, les données de température de la batterie sont collectées par des thermocouples de type K, prêts à l'emploi, avec une plage de mesure de 0-600 ℃. La plage de collecte de la tension est de 0 à 50 V. La boîte de test est équipée de dispositifs permettant de fixer des piles et des aiguilles en acier de différentes tailles. La vitesse d'insertion de l'aiguille est réglable de 0,1 à 80 mm/s.

Précautions à prendre

Nous testons ici trois types différents de batteries empilées (300 m Ah, 1000 m Ah, 2000 m Ah). Les données à mesurer sont les suivantes :

La variation de la tension aux bornes de la batterie dans le temps

La température de surface de la batterie

Changements dans l'apparence et la forme de la batterie après la pénétration d'un clou

Avant de procéder à l'expérience, il est nécessaire de préparer soigneusement les mesures de prévention des incendies et de sécurité, telles que la prévention des éclaboussures, l'aménagement d'un espace de maintenance suffisant pour la machine d'essai et l'assurance que le système d'extinction d'incendie peut fonctionner normalement.

Différences dues aux conditions de pénétration des clous

Sur la base de plusieurs résultats expérimentaux, y compris les résultats des tests ci-dessus, les faits suivants peuvent être déduits.

(1) Au point de perforation, la tension terminale chute de manière significative et tombe progressivement à 0 V. Lorsque la tension chute dans une certaine mesure, la courbe de tension présente des fluctuations significatives.

(2) Au stade des changements significatifs de tension de la pointe de l'aiguille à la borne, les résultats des tests des différents types de batteries et les conditions de l'aiguille varient également, mais la tension de la borne tombera à 0 V après 10-20 secondes.

(3) Lors de l'essai de piles de même capacité, plus l'aiguille est épaisse, plus la variation de la tension aux bornes est importante.

Mesure de la température de surface de la pile

Après la pénétration du clou, la température de surface de la batterie empilée peut être obtenue au fil du temps grâce à un système d'acquisition de la température. Utilisation de φ La variation de la température de surface mesurée pendant l'essai de perforation d'une batterie empilée de 2000 m Ah avec un clou en acier de 5 mm.

Augmentation de la température après la pénétration d'un clou

Lors de l'essai de perforation d'une batterie empilée de 2000 m Ah avec un clou en acier de 5 mm, un incendie s'est déclaré et la température a dépassé 200 ℃. En outre, lors de l'essai d'échantillons de batteries de 1000 m Ah φ Un incendie s'est déclaré lorsqu'un clou en acier de 3 mm a été perforé. Lors du test de perforation effectué avec un clou en acier de 5 mm, non seulement un incendie s'est déclaré, mais la température de la batterie a également augmenté de manière significative. En outre, nous avons testé plusieurs échantillons de piles en utilisant des clous en acier de différents diamètres, et la tendance de l'augmentation de la température au fil du temps est similaire à la figure ci-dessus. En outre, la température la plus élevée mesurée pour différents éléments de batterie peut également être inférieure à 100 ℃.

Résumé

Ce test, en court-circuitant les électrodes positives et négatives, convertit instantanément l'énergie électrique stockée à l'intérieur de la batterie en énergie thermique, générant suffisamment de chaleur pour que l'électrolyte brûle et explose. D'un point de vue énergétique, la chaleur générée par l'allumage de l'essence est pratiquement la même. Quel test dangereux ! Je pense que vous avez déjà une certaine compréhension, ne mettez pas facilement en œuvre ce test. Cependant, en tant qu'évaluation de la sécurité pour la conception et la fabrication des batteries, le test de pénétration des clous peut être mis en œuvre sans dépendre d'un financement important, et les résultats des mesures peuvent être reflétés dans la production. Enfin, les batteries lithium-ion peuvent être utilisées en toute sécurité dans la plage nominale spécifiée par le fabricant. Le dépassement de la plage nominale, comme la surcharge ou la décharge répétée, peut provoquer l'incendie ou l'endommagement de la batterie.