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Test de sécurité de pénétration des clous des batteries lithium-ion - Partie 2

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Test de sécurité de pénétration des clous des batteries lithium-ion - Partie 2

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2.2 Différentes vitesses d'aiguilletage

Les vitesses de chargement sont réglées sur 1 mm/min, 5 mm/min, 10 mm/min et 20 mm/min.

On constate que la charge de rupture augmente avec la vitesse et que la charge de rupture moyenne maximale est de 1,56 kN (20 mm/min). Lorsque la vitesse de chargement de l'échantillon passe de 1 mm/min à 20 mm/min, la charge de rupture moyenne augmente de 14 %.

Les deux batteries expérimentales du groupe 2 ont subi un emballement thermique, avec des réactions violentes à l'intérieur des batteries. Une grande quantité d'électrolyte s'est écoulée du point de perforation et de la fumée blanche a été émise. La courbe de tension en fonction du temps montre qu'à mesure que la vitesse augmente, le temps nécessaire à la chute de tension est considérablement réduit, et la tension aux bornes tombe essentiellement à environ 0V.

Les taux de chauffage et de refroidissement et les températures maximales de la batterie après avoir été pénétrée à quatre vitesses différentes sont fondamentalement les mêmes. Cela s'explique par le fait que la membrane de la pile cylindrique est peu ductile et qu'il est facile de la perforer pendant le processus de perçage de l'aiguille, ce qui donne des bornes positives et négatives extrêmement courtes. La vitesse a peu d'effet sur la température de surface de la pile sélectionnée dans l'expérience, et la température maximale est légèrement plus élevée lorsque la vitesse de perforation de l'aiguille est de 20 mm/min, atteignant 100 ℃. Dans d'autres conditions de vitesse, la température maximale de la surface de la batterie est pratiquement la même, autour de 95 ℃, ce qui indique que l'énergie libérée par la batterie est moins affectée par la vitesse de perforation de l'aiguille.

2.3 Différentes profondeurs de pénétration de l'aiguille

Une augmentation de la profondeur de perforation de l'aiguille entraîne une augmentation du nombre de points d'électrode et de la surface de contact pour les courts-circuits, ce qui augmente la probabilité de courts-circuits directs. Après un court-circuit, une série de réactions secondaires se produisent. Par conséquent, l'étude de l'impact des différentes profondeurs sur les performances de sécurité des piles au lithium et la détermination de la profondeur critique à laquelle les courts-circuits se produisent sont d'une grande importance pour l'alerte précoce.

Lorsque la profondeur est de 10 mm, il n'y a pas de changement de tension, ce qui indique qu'il n'y a pas de court-circuit à l'intérieur de la pile au lithium. Lorsque la profondeur est de 11 mm, la tension chute de 3,9 V à 3,6 V en environ 124 secondes, puis remonte lentement jusqu'à 3,78 V et se maintient à environ 3,78 V, ce qui indique que les pôles positif et négatif à l'intérieur de la pile se sont court-circuités, provoquant un court-circuit local.

Si l'on analyse les raisons du rétablissement de la tension, lorsque la chaleur locale au niveau du site d'acupuncture est trop élevée, le collecteur de courant, le diaphragme et la zone locale du point de ponction peuvent fondre, coupant ainsi le chemin du courant et empêchant la poursuite de la décharge de la pile au lithium. La fonte simultanée de la membrane et du collecteur de courant détermine si la chute de tension peut être rétablie.

La température maximale de la surface de la batterie augmente avec la profondeur de pénétration. Lorsque la profondeur de l'aiguille est de 10 mm et 11 mm, la température de surface de la pile n'est pas élevée, le degré de réaction chimique à l'intérieur de la pile n'est pas grave et aucune fumée blanche ou gaz irritant n'est émis, ce qui indique qu'il n'y a pas eu d'emballement thermique. Lorsque la pile au lithium a été percée de 10 mm, il n'y a pas eu de court-circuit et la température est restée aux alentours de 25 ℃.

Lorsque la profondeur de l'aiguille est de 11 mm, un court-circuit local est déclenché à l'intérieur de la pile, consommant une petite quantité d'énergie et entraînant une vitesse de chauffage relativement lente.

Lorsque l'aiguille en acier a pénétré à des profondeurs de 12 mm, 13 mm et 16 mm, la batterie a subi un emballement thermique, émettant des gaz irritants et de la fumée blanche à partir du point de perforation, et l'électrolyte a fui. Après avoir percé la coque, la température augmente fortement et atteint rapidement son maximum, la température de surface maximale de la batterie dépassant 90 ℃.

En résumé, on peut conclure qu'il existe une profondeur critique entre le court-circuit local et le court-circuit interne de l'ensemble de la batterie au lithium lorsque l'aiguille en acier pénètre dans la batterie. La profondeur critique de la batterie au lithium utilisée dans ce travail est d'environ 11 mm. Lorsque la profondeur de perforation est inférieure à la profondeur critique, la pile au lithium ne subit pas d'emballement thermique et la température de surface de la pile augmente lentement. Lorsque la profondeur de perforation dépasse la profondeur critique, la pile subit un emballement thermique et la température de surface de la pile augmente brusquement.

2.4 Différentes positions de piqûre de l'aiguille

Trois emplacements différents ont été choisis pour l'expérience

Les différentes positions de chargement ont un impact significatif sur la capacité de charge de la batterie. Plus elle est proche des bornes positives et négatives de la batterie, plus la capacité de charge ultime et la pente ascendante sont importantes, et vice versa. L'influence de la position de la piqûre de l'aiguille sur la charge ultime de la batterie présente une nette régularité. Plus la position de perforation de l'aiguille est proche du centre axial de la batterie, plus la charge ultime est faible, et inversement, plus la charge ultime est élevée.

Le court-circuit se produit d'abord près de l'électrode positive et ensuite dans la position médiane. La tension près des pôles positif et négatif n'est pas tombée brusquement à 0 V après une chute brutale, mais a rebondi à des tensions plus élevées de 1,84 V et 1,1 V, puis a commencé à fluctuer progressivement jusqu'à 0 V. Cela s'explique par le fait que les positions A et E sont très proches de l'extrémité du noyau de la batterie et qu'il y a un espace entre l'extrémité du noyau de la batterie au lithium et l'enveloppe extérieure. Lors d'une charge continue, un glissement limité et une concentration de contraintes se produisent, entraînant une instabilité temporaire de la tension.

À déformation égale, la déformation locale à la position du bord sera plus importante, ce qui facilitera la rupture de la membrane et accélérera l'apparition de courts-circuits internes. De même, à déformation égale, lorsque la position de perforation de l'aiguille est proche du milieu de la batterie, la déformation locale sera plus faible, de sorte que le court-circuit interne se produira plus tard.

Les tests ont tous provoqué un emballement thermique (une grande quantité d'électrolyte s'est écoulée du point de perforation de l'aiguille et a émis une grande quantité de fumée blanche), et plus le point de pénétration est proche des pôles positif et négatif, plus le risque d'emballement thermique est élevé. Plus le point de pénétration est proche des pôles positif et négatif, plus la batterie se réchauffe rapidement après un court-circuit et plus la température maximale est élevée. Parmi elles, les températures maximales de la surface de la batterie aux positions 10 mm et 55 mm de l'électrode négative sont respectivement de 110,3 ℃ et 104,8 ℃, et la température maximale à la position 30 mm de l'électrode négative est de 94,9 ℃. En résumé, la position du bord de la batterie au lithium sélectionnée dans ce travail est plus sujette à l'emballement thermique.

3 Conclusion

Le test a utilisé la chambre d'essai de pénétration des clous DGBELL. Une série d'expériences a été menée sur une seule batterie lithium-ion 18650, y compris le SOC, la vitesse de perforation de l'aiguille, la profondeur et la position. L'influence des différents paramètres sur les performances de sécurité des batteries au lithium a été analysée à l'aide des données relatives à la force électrique et à la chaleur des batteries, et les conclusions suivantes ont été tirées.

(1) La charge ultime des piles au lithium n'est pas simplement liée à l'augmentation de l'état de charge. Lorsque le SOC est compris entre 20% et 60%, la charge ultime augmente avec l'augmentation du SOC ; Lorsque le SOC est compris entre 80% et 100%, elle augmente également avec l'augmentation du SOC, et la charge ultime moyenne maximale est de 1,66 kN, ce qui est 20% plus élevé que la charge ultime moyenne de 20% SOC.

Plus le SOC est élevé, plus la réaction pendant le processus d'acupuncture est intense et plus le risque d'emballement thermique est important. Pour différentes vitesses d'aiguilletage, le taux d'augmentation et de diminution de la température sur la surface de la batterie est cohérent, avec une température maximale d'environ 95 ℃, et il n'y a pas de corrélation significative entre la vitesse d'aiguilletage et l'apparition d'un emballement thermique.

(2) Au cours du processus d'aiguilletage, il existe une profondeur critique à partir de laquelle un court-circuit localisé peut provoquer un court-circuit dans l'ensemble de la batterie au lithium. La profondeur critique de la pile au lithium sélectionnée pour l'expérience est d'environ 11 mm, ce qui peut servir de seuil pour la conception d'un système d'alerte précoce destiné à avertir les utilisateurs.

Les différentes positions ont un impact significatif sur la force, l'électricité et la chaleur des piles au lithium. Lorsque la position d'insertion de l'aiguille est proche des électrodes positive et négative, la charge ultime et la température maximale sont plus élevées que dans la position médiane. Les températures maximales sont respectivement de 104,8 ℃ et 110,3 ℃. Lorsque les piles au lithium sont soumises à des collisions de forces externes près des électrodes positives et négatives, leurs performances en matière de sécurité diminuent, ce qui les rend plus sujettes aux accidents de sécurité tels que l'emballement thermique.