À propos du test d'écrasement des piles au lithium

À propos du test d'écrasement des piles au lithium

En raison des limites des matériaux, de la technologie des batteries et des processus de fabrication, les batteries lithium-ion ont toujours été confrontées à des risques d'incendie importants pendant leur utilisation. La sécurité des batteries lithium-ion en cas de collision et de compression a toujours fait l'objet d'une attention particulière.

En général, les incendies provoqués par des forces extérieures dans les batteries lithium-ion sont essentiellement dus à des courts-circuits internes provoqués par des déformations et des dommages importants, qui entraînent des réactions électrochimiques intenses et une forte production de chaleur à l'intérieur de la batterie, conduisant finalement à un emballement thermique et à une explosion par combustion de la batterie.

Une partie des expériences a porté sur l'intégrité mécanique des batteries lithium-ion cylindriques et a permis d'obtenir le comportement des batteries sous différentes forces mécaniques externes par le biais d'expériences et de simulations numériques. Certains chercheurs ont étudié le comportement d'emballement thermique des batteries lithium-ion 18650 sous différentes méthodes d'écrasement. Même si la batterie n'est pas endommagée ou cassée sous l'effet de la compression, un accident catastrophique peut tout de même se produire. De nombreux rapports de recherche se concentrent davantage sur la théorie fondamentale de l'emballement thermique des batteries au lithium-ion, alors qu'il y a relativement peu de recherches sur les tests de sécurité de l'écrasement des batteries au lithium-ion.

Il existe actuellement des normes relatives à la sécurité des batteries lithium-ion, qui proposent des méthodes expérimentales d'écrasement spécifiques pour les batteries lithium-ion et les blocs-batteries. La vitesse d'écrasement spécifiée est de (5 ± 1) mm/s, et la déformation due à l'écrasement est de 30 %. Cela diffère considérablement des conditions de collision et de compression auxquelles sont soumises les batteries lors d'accidents de la circulation réels, et l'évaluation de la sécurité incendie des batteries dans les normes est également relativement vague. Seules les batteries qui ont réellement brûlé ou explosé sont considérées comme non qualifiées, et le risque d'incendie des batteries qui ont explosé ou brûlé ne peut pas être évalué de manière spécifique. Par conséquent, elles ne peuvent pas répondre aux exigences de l'évaluation de la sécurité incendie, de l'évaluation de la sécurité sur le lieu de l'incendie et de l'enquête sur l'incendie. Les critères d'évaluation de la norme UL 1642 stipulent également que les piles ne sont considérées comme non qualifiées que si elles ont subi une combustion ou une explosion.

Il en ressort que les normes d'essai existantes ne sont que des critères d'évaluation de la qualification des produits à base de piles et qu'elles ne peuvent pas être utilisées pour évaluer le risque d'incendie des piles. L'auteur de cet article a l'intention de mener des expériences de compression systématique sur des batteries lithium-ion courantes afin d'étudier l'impact des différentes conditions de compression sur la sécurité incendie des batteries lithium-ion, afin de fournir une référence pour l'évaluation du risque d'incendie par compression des batteries lithium-ion.

1 Test

1.1 Objet du test

batterie lithium-ion 18650, SOC 50%

Batterie ICRIB1 à l'oxyde de lithium et de cobalt

Batterie au lithium-oxyde de cobalt ICRIB2

TCLIB3 pile nickel-cobalt-manganèse-lithium

1.2 Méthodes d'essai

L'expérience a été menée sur la machine d'essai de pénétration horizontale DGBELL BE-6047AP. La batterie est fixée dans la machine d'essai à l'aide d'un support de sorte que la direction de la plaque d'électrode de la batterie soit perpendiculaire à la direction de la compression.

Les quatre vitesses d'écrasement utilisées dans l'expérience étaient respectivement de 50 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min et 400 mm/min, avec des variables de déformation de l'écrasement de 10 %, 20 %, 30 %, 40 % et 50 %. Pressez la pile à une vitesse d'écrasement constante, arrêtez de presser lorsque la déformation de la pile atteint la valeur fixée et observez la pile.

Pendant l'expérience, le couple thermique de type K du capteur de température a été fixé sur l'électrode positive de la batterie lithium-ion à l'aide d'un ruban isolant haute température. Un dispositif d'acquisition de température personnalisé a été utilisé pour collecter les données de température mesurées par le thermocouple et enregistrer les changements de température de l'électrode positive pendant l'expérience.

2 Résultats et discussion

2.1 Influence des variables de déformation de l'écrasement

Lorsque la vitesse d'écrasement est de 50 mm/min, enregistrer les changements de température de la surface de l'électrode positive de chaque pile au cours du temps dans l'expérience d'écrasement avec différentes variables de déformation.

Les données expérimentales montrent que lorsque la déformation par écrasement est inférieure à 20 %, il n'y a pas de changement significatif de la température de surface de l'électrode positive de l'ICRIB1 après la compression. Ce n'est que lorsque la déformation par écrasement atteint 30 % que la température de surface de l'électrode positive de l'ICRIB1 augmente de manière significative et que la vitesse d'augmentation de la température s'accélère. La température atteint sa valeur maximale dans les 90 secondes, puis diminue lentement

Le changement de température à la surface de l'électrode positive de l'ICRIB2 est similaire à celui de l'ICRIB1, et le changement de température n'est pas significatif lorsque la déformation par écrasement est inférieure à celle de la surface de l'électrode positive de l'ICRIB2. Lorsque la déformation par écrasement est de 30 %, la température extrême de l'électrode IRIB1 augmente, avec une température maximale d'environ 37 °C. Le temps d'exothermie est plus long et la température diminue lentement.

Lorsque la déformation par écrasement est de 40 %, la température de l'électrode positive de la batterie augmente rapidement, atteignant un maximum d'environ 57 ℃, et une grande quantité d'électrolyte s'écoule de l'électrode positive. Lorsque la variable de déformation est fixée à 50 % pour l'écrasement, la tendance du changement de température de l'électrode positive de la batterie est similaire à celle de la variable de déformation de 40 %, la température la plus élevée atteignant environ 63 ℃ et une grande quantité d'électrolyte s'écoulant.

Le changement de température à la surface de l'électrode positive TCLIB3 est significativement différent de celui d'ICRIB1 et ICRIB2. Lorsque la déformation due à l'écrasement est inférieure à 10 %, il n'y a pas de changement significatif de la température de surface de l'électrode positive TCLIB3. Lorsque la déformation par écrasement est de 20 %, la température de l'électrode positive de TCLIB3 augmente de manière significative, atteignant une température maximale d'environ 47 ℃, et une petite quantité d'électrolyte s'écoule.

Lorsque la déformation de l'écrasement est de 30 % et 40 %, la température de l'électrode positive augmente légèrement, puis diminue lentement. Après avoir relâché la tête d'écrasement, la température augmente à nouveau. Lorsque la déformation par écrasement est de 50 %, la batterie se brise après avoir été écrasée, et la température de l'électrode positive augmente rapidement, atteignant un maximum d'environ 95℃, puis diminue. Lorsque la tête d'écrasement est relâchée, la température augmente à nouveau.

Lorsque la déformation par compression des batteries à électrode positive en oxyde de lithium et de cobalt est inférieure à 20 %, il n'y a pas d'anomalie de température évidente. Ce n'est que lorsque la déformation par compression est supérieure à 30 % qu'il est facile de chauffer et de créer un certain risque d'incendie. La batterie à électrode positive en matériau ternaire est sensible aux changements de déformation par écrasement. Lorsque la déformation est de 20 %, la température de l'électrode positive augmente de manière significative.

La température la plus élevée de l'électrode positive lors de l'expérience d'écrasement peut atteindre environ 95 ℃, ce qui est plus élevé que les 66 ℃ de l'électrode positive de la batterie à l'oxyde de cobalt et de lithium. Cela indique que la batterie à électrode positive en matériau ternaire présente des risques d'incendie plus importants lorsqu'elle est soumise à une compression externe. Les résultats de la compression sous différentes variables de déformation indiquent que pour évaluer la sécurité incendie des batteries lithium-ion dans les expériences de compression, la variable de déformation doit être fixée à ≥ 30 %.

2.2 Impact de la vitesse d'écrasement

Régler la variable de déformation à 30% et observer la variation de température de la surface de l'électrode positive de chaque batterie au cours du temps à différentes vitesses d'écrasement.

La température de surface de l'électrode positive de l'ICRIB1 augmente rapidement après avoir été écrasée, et une grande quantité d'électrolyte peut être observée s'écoulant pendant l'expérience. Lorsque la vitesse d'écrasement est de 100 mm/min, 200 mm/min et 400 mm/min, les températures les plus élevées sont d'environ 68 ℃, 81 ℃ et 71 ℃, respectivement. La vitesse d'écrasement a peu d'effet sur l'augmentation de la température de l'ICRIB1, et l'augmentation de la température de l'électrode positive est fondamentalement la même pour différentes vitesses d'écrasement et le même taux de déformation de l'écrasement.

Après avoir augmenté la capacité de la batterie de 2,2 Ah pour ICRIB1 à 2,6 Ah pour ICRIB2, elle devient plus sensible à la vitesse d'écrasement, et l'élévation de la température de surface de l'électrode positive augmente encore avec l'augmentation de la vitesse d'écrasement. Lorsque la vitesse d'écrasement passe de 100 mm/min à 400 mm/min, la température de surface maximale de l'électrode positive passe d'environ 65 °C à environ 95 °C, accompagnée d'une grande quantité d'électrolyte qui s'écoule.

Le changement de température à la surface de l'électrode positive de TCLIB3 est similaire à celui d'ICRIB2, et plus la vitesse d'écrasement est élevée, plus l'augmentation de température est importante. Lorsque la vitesse d'écrasement est de 50 mm/min, 100 mm/min et 400 mm/min, les températures les plus élevées sont d'environ 65 ℃, 78 ℃ et 106 ℃, respectivement, ce qui est supérieur à la température la plus élevée d'ICRIB2 dans les mêmes conditions expérimentales. À la vitesse d'écrasement de 200 mm/min, TCLIB3 a explosé, produisant une grande quantité de fumée blanche, et le diaphragme interne et l'électrolyte ont été pulvérisés hors de l'électrode positive. L'électrode positive ayant été endommagée, il n'a pas été possible de recueillir des données complètes sur les variations de température.

Les résultats expérimentaux des différentes vitesses d'écrasement indiquent que plus la vitesse d'écrasement est élevée, plus la température des batteries au lithium-ion augmente et plus le risque d'incendie est important. Parmi les trois types de batteries lithium-ion, la batterie à électrode positive en matériau ternaire présente l'augmentation de température la plus importante à mesure que le degré de compression augmente, ce qui indique le niveau de danger le plus élevé.

La comparaison expérimentale de différentes vitesses d'écrasement montre que, dans l'évaluation de la sécurité incendie des batteries au lithium-ion, la vitesse d'écrasement doit être fixée à ≥ 200 mm/min afin de mieux observer les différences entre les différentes batteries au lithium-ion. En même temps, les changements de température à la surface des batteries lithium-ion peuvent servir de base importante pour juger de la sécurité incendie, en particulier pour les batteries lithium-ion dont la température de surface peut s'élever à plus de 100 ℃ pendant l'écrasement, il y a un risque important de combustion naturelle et d'explosion.

3 Conclusion

Les batteries lithium-ion sont sujettes à des courts-circuits internes en cas de compression externe, ce qui entraîne une inflammation, une combustion, voire une explosion. Pour étudier le risque d'incendie des batteries lithium-ion dans des conditions de compression, trois types de batteries lithium-ion ont été sélectionnés pour mener des expériences d'allumage par compression sous différentes variables de déformation et vitesses de compression. Les conclusions suivantes ont été tirées :

Lorsque la déformation par écrasement des batteries à électrode positive en oxyde de cobalt lithium est inférieure à 20 %, il n'y a pas d'anomalie évidente dans la température de la batterie et le danger est relativement faible ;

Ce n'est que lorsque la déformation par écrasement atteint 30 % qu'il est facile de générer de la chaleur et de la température, ce qui présente un certain risque d'incendie.

Lorsque la déformation de l'électrode positive de la batterie à matériau ternaire est de 20 %, une augmentation significative de la température se produit, et la température la plus élevée atteinte est significativement plus élevée que celle de l'électrode positive de la batterie à oxyde de lithium et de cobalt. Lorsqu'elle est soumise à une compression externe, elle présente un risque d'incendie plus important.

Lorsque le degré de compression des batteries lithium-ion augmente, l'augmentation de la température augmente également, ainsi que le risque d'incendie.

Par rapport aux batteries à électrodes positives à l'oxyde de cobalt et de lithium, les batteries à électrodes positives à matériau ternaire ont une augmentation de température plus importante avec l'augmentation de la vitesse d'écrasement, atteignant des températures plus élevées, et sont plus sujettes à la combustion et à l'explosion.

Lors de l'évaluation de la sécurité incendie des batteries lithium-ion par des expériences d'écrasement, la variable de déformation doit être fixée à ≥ 30 % et la vitesse d'écrasement doit être fixée à 200 mm/min. En même temps, le changement de température à la surface des batteries lithium-ion peut servir de base importante pour juger de la sécurité incendie.