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Test de sécurité de pénétration des clous des batteries lithium-ion - Partie 1

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Test de sécurité de pénétration des clous des batteries lithium-ion - Partie 1

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La compression des batteries d'alimentation par des objets pointus est la principale forme de dommage causé par les collisions automobiles, et il s'agit également d'une condition de travail très sévère. Dans les cas les plus graves, les batteries lithium-ion peuvent exploser, causant des dommages aux véhicules électriques et même des blessures.

Afin de révéler les performances de sécurité des batteries lithium-ion dans des conditions de pénétration d'ongles, ce test a utilisé la chambre d'essai de pénétration d'ongles DGBELL et une aiguille en acier au tungstène à tête plate de 5 mm de diamètre pour percer la batterie lithium-ion cylindrique 18650.

L'influence de quatre paramètres (état de charge, vitesse de pénétration du clou, profondeur et position) sur les performances de sécurité des batteries lithium-ion a été examinée, et le phénomène d'emballement thermique des batteries lithium-ion a été observé. Les données de caractérisation de la température, de la tension en circuit ouvert et de la charge des batteries lithium-ion avant et après l'essai ont été enregistrées. Les résultats de l'essai montrent que les batteries lithium-ion présentent des schémas d'évolution significatifs dans des conditions de perforation d'aiguille.

Plus l'état de charge est élevé, plus la pénétration de l'aiguille est profonde, et plus les batteries lithium-ion sont susceptibles de subir un emballement thermique, qui est positivement corrélé avec la gravité de l'emballement thermique ;

Plus l'aiguille est proche des bornes positives et négatives d'une batterie lithium-ion, plus la réaction est intense ; il n'y a pas de corrélation significative entre la vitesse d'acupuncture et l'apparition ou non d'un emballement thermique. Enfin, sur la base des résultats des tests, des suggestions ont été formulées pour le transport, l'utilisation sûre et la conception d'algorithmes d'alerte précoce pour les batteries lithium-ion.

1 Introduction du test

Le test utilise des batteries lithium-ion cylindriques 18650 d'une capacité nominale de 1200 m Ah. Utilisez un système d'essai de batterie pour charger et décharger les batteries au lithium jusqu'à l'état de charge requis dans l'essai, en utilisant une méthode de courant et de tension constants.

Dans l'essai, la plage est de 0 à 200 mm et la valeur de la force est de 2 à 20 kN pour simuler le processus de chargement par poinçonnage d'aiguille. Utiliser une aiguille en acier au tungstène solide à tête plate d'un diamètre de 5 mm. Compte tenu du risque d'explosion des piles au lithium lors du chargement par aiguilletage, la chambre d'essai est dotée d'une fonction antidéflagrante.

Le test a pris en compte l'influence de quatre facteurs : SOC, vitesse, position et profondeur, y compris quatre séries de tests. Dans l'essai, les aiguilles en acier ont été insérées à trois endroits, à savoir en haut, au milieu et en bas de la batterie au lithium. Après avoir percé la pile avec une aiguille en acier, observez-la pendant une heure, puis retirez-la pour sauvegarder les données de l'essai en cours. Après chaque test, laisser reposer pendant 30 minutes pour vérifier la température à l'intérieur de l'aiguille en acier et de la chambre d'essai.

Attendez qu'elle revienne à la température ambiante avant de passer au test suivant. En outre, toutes les conditions d'essai ont été contrôlées à l'aide de la méthode de contrôle des variables afin d'exclure l'influence de facteurs non liés. Chaque test doit être répété au moins trois fois et les données du test présentant une bonne répétabilité doivent être utilisées pour la recherche afin d'éliminer le caractère aléatoire du test et de garantir l'exactitude des données testales.

2 Résultats et analyse du test de pénétration des clous

2.1 Analyse des caractéristiques

Cinq états de charge différents (SOC de 20 %, 40 %, 60 %, 80 % et 100 %) des piles au lithium ont été sélectionnés pour les essais de perforation à l'aiguille. Enregistrer la charge ultime et les nœuds temporels de chute de tension terminale des piles au lithium dans différents états de charge.

La tendance dans la partie avant de la courbe sous les cinq états de charge est à peu près la même, connaissant d'abord une phase de croissance linéaire, puis entrant dans une zone de plate-forme de croissance lente avec peu de changement dans la capacité de charge, puis entrant dans une phase de croissance à grande vitesse, montrant une croissance exponentielle. Au début de la charge d'essai, la coque en acier de la batterie commence à supporter la charge en premier, et après un certain degré de charge continue, elle commence à comprimer les espaces entre les couches du noyau interne et la partie creuse la plus interne. La variation initiale de la charge est donc très faible, et une fois que les espaces internes de la batterie sont compactés, la charge augmente rapidement. La charge générée au moment où la résistance de l'enveloppe de la batterie s'affaiblit et est perforée est appelée charge ultime.

Les essais ont montré qu'il n'existe pas de relation de croissance simple entre la charge ultime et l'état de charge, et que la charge ultime maximale correspond à un état de charge de 60 %. La raison possible est que la quantité de lithium incorporée dans le matériau de l'électrode négative augmente avec le SOC, de sorte que les batteries avec un SOC de 60 % ont une capacité de charge plus forte que les batteries avec un SOC de 60 % ou moins. Lorsque l'état de charge est supérieur à 60 %, la teneur en produits chimiques actifs à l'intérieur de la batterie au lithium augmente progressivement.

Pendant le processus de perforation de l'aiguille, la réaction d'emballement thermique est grave et une grande quantité de gaz s'échappe de la soupape de sécurité positive et de la position de perforation de l'aiguille, ce qui fait gonfler et glisser la pile au lithium de façon limitée, entraînant une diminution de sa force de réaction. Par conséquent, la modification de la quantité de lithium insérée et l'apparition d'un glissement limité à ce moment-là entraîneront une diminution de la charge ultime.

Afin d'éliminer le caractère aléatoire des essais, le groupe 1 a effectué plusieurs essais répétés à chaque état de charge, et l'on peut constater que la charge de rupture moyenne de la batterie n'est pas simplement une relation de croissance avec l'état de charge. Lorsque l'état de charge est compris entre 20 % et 60 %, la charge ultime moyenne des batteries au lithium augmente avec l'état de charge, et la charge ultime moyenne des batteries au lithium avec un état de charge de 60 % est supérieure à 80 %. Lorsque le SOC est compris entre 80% et 100%, il augmente également avec l'augmentation du SOC.

Enregistrez les courbes de tension en fonction du temps de différentes batteries avec SOC. Les résultats indiquent que l'état de charge de la batterie a un certain impact sur sa réponse en termes de tension, et que le moment où la tension aux bornes de la batterie chute correspond fortement au moment où la batterie atteint sa charge maximale, ce qui indique que le court-circuit interne de la batterie se produit au moment de la perforation.

La tension avec un SOC de 20 % et 40 % n'est pas tombée brusquement à 0 V au moment de la chute de la charge maximale, mais a d'abord connu une période de fluctuation avant de tomber à environ 0 V. La raison en est peut-être que la réactivité chimique à l'intérieur de la batterie diminue dans des conditions de faible SOC, et qu'aucune réaction immédiate ne se produit lors d'un court-circuit.

Après avoir comparé les courbes température-temps dans différentes conditions d'état de charge, on constate que plus l'état de charge de la batterie est élevé, plus l'augmentation de la température est précoce et plus la température de pointe correspondante est élevée. D'autre part, les piles au lithium à état de charge élevé ont une teneur élevée en produits chimiques internes, et la réaction est intense lorsqu'une aiguille en acier est insérée dans la pile pour la court-circuiter. Les piles au lithium ont toutes connu un emballement thermique, l'électrolyte s'écoulant du point de perforation et émettant une grande quantité de fumée blanche après déformation.

Au cours de la dernière phase de chargement, la température de la batterie augmente rapidement en peu de temps et s'accompagne d'une décharge rapide de gaz irritants. En effet, après que l'aiguille en acier a percé l'enveloppe de la pile au lithium, les substances actives internes et l'électrolyte subissent des réactions d'oxydo-réduction avec l'air.

La déformation après la perforation de l'aiguille à 100 % de SOC a entraîné une explosion après environ 136 secondes de chargement. La soupape de sécurité positive a été éjectée, émettant une grande quantité de fumée blanche, et la température la plus élevée a atteint 162,9 ℃ au moment de l'explosion. En raison d'une grande quantité de gaz s'échappant du point de perforation au moment de l'explosion, on peut voir que le point de perforation de la batterie est gravement endommagé et gonflé.