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Analyse du test de sécurité et de stabilité des batteries lithium-ion - Partie 1

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Analyse du test de sécurité et de stabilité des batteries lithium-ion - Partie 1

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Avec les progrès constants de la technologie énergétique, l'utilisation de véhicules électriques est devenue une solution viable aux problèmes environnementaux. Comparées à d'autres types de batteries, les batteries lithium-ion présentent les avantages d'une densité énergétique élevée, d'une longue durée de vie, d'une utilisation et d'un entretien faciles, etc. Toutefois, le risque d'accident potentiel des batteries lithium-ion mettra en danger la vie et les biens des personnes, et la confiance des consommateurs dans l'acceptation des véhicules électriques sera découragée. Les batteries au lithium-ion sont généralement sûres dans des conditions normales d'utilisation, mais en cas de défauts individuels dans le processus de production, et de mauvaise utilisation ou de conditions abusives telles que température élevée, court-circuit, surcharge et décharge, vibration, extrusion et impact, etc. dans l'utilisation de la batterie se produira une réaction thermique pour produire une grande quantité de chaleur, si elle ne peut pas être diffusée à temps, elle provoquera un emballement thermique, ce qui peut entraîner l'incendie et l'explosion de la batterie. De janvier à juillet 2018, de nombreux accidents liés à la sécurité des véhicules électriques ont eu lieu dans le pays et à l'étranger à cause des batteries lithium-ion.

Afin d'évaluer la sécurité des batteries lithium-ion, un certain nombre de normes d'essai de sécurité ont été proposées dans le pays et à l'étranger, telles que ISO12405-3 IEC62133UL1642UN383. Dans cet article, plusieurs situations susceptibles de provoquer un emballement thermique de la batterie sont analysées et discutées en combinaison avec la norme nationale actuelle sur les batteries pour véhicules électriques GB/T314852015 et la norme sur les blocs-batteries GB/T31467.3-2015.

1.1 Test de pénétration des ongles

Le test de pénétration de l'ongle utilise une aiguille en acier résistant aux hautes températures de ф5mm ~ ф8mm (l'angle du cône de la pointe de l'aiguille est de 45 ° ~ 60 °, la surface de l'aiguille est lisse et exempte de couche d'oxyde et d'huile) à une vitesse de (25±5) mm/s depuis la direction de la plaque de la batterie à travers la position du centre géométrique de l'aiguille en acier près de la surface de perçage pour rester dans la batterie pour l'observation pendant 1 heure. Au cours de ce processus, la batterie ne doit pas exploser ni prendre feu. L'essai de perforation par aiguille modulaire utilise une aiguille en acier légèrement plus épaisse, à la même vitesse, depuis la direction perpendiculaire à la plaque de la batterie, qui traverse à son tour au moins 3 batteries simples (les aiguilles en acier restent dans la batterie) et qui est observée pendant 1 heure. Au cours de ce processus, le module de batterie ne doit pas exploser ou s'enflammer.

Après que l'aiguille d'acier a percé le séparateur de la batterie, les plaques des pôles positif et négatif de la batterie forment une boucle avec l'aiguille d'acier, ce qui provoque un court-circuit à l'intérieur de la batterie et génère un grand nombre de points chauds. Lorsque la température atteint 130 °C, le diaphragme général commence à se rétracter et à fondre, ce qui élargit la zone de contact entre les électrodes positives et négatives de la batterie et provoque un phénomène de court-circuit interne. Lorsque la batterie est à pleine puissance, les pôles positif et négatif sont dans un état métastable. Lorsque la température dépasse 180 °C, les pôles positif et négatif ont une forte réaction exothermique avec l'électrolyte et produisent une grande quantité de gaz (y compris une grande quantité de gaz organique combustible et une petite quantité d'oxygène). Lorsque la température dépasse 240°C, le liant contenant du fluor commence à réagir violemment avec le carbone de lithium et dégage une grande quantité de chaleur Le point d'éclair du carbonate linéaire dans l'électrolyte chaud est bas et facile à produire une flamme nue Dans la plupart des cas, l'aiguille en acier perce le trou de la batterie et il est facile de pulvériser des combustibles à haute température pour s'enflammer dans l'air et former un phénomène de feu d'artifice (comme le montre la figure 1). Lors du test de piqûre d'aiguille de la batterie du module, la tension de la batterie du module est plus élevée, la piqûre d'aiguille provoque un court-circuit interne lorsque le courant instantané est plus important, et il est plus probable que l'emballement thermique de la batterie s'enflamme et explose.

La plate-forme de tension de la batterie lithium-ion du système de matériau ternaire est plus élevée que celle de la batterie lithium-ion du système lithium-ion du système lithium-ion du système lithium-ion, et le taux de réussite est très faible lorsque le test de piqûre d'aiguille est effectué. Le 30 décembre 2016, les quatre ministères et commissions de l'État ont publié le "New Energy Vehicle Promotion Subsidy Scheme and Product Technical Requirements", qui stipule que le test d'acupuncture dans les méthodes de sécurité et d'essai pour les batteries d'alimentation des véhicules électriques (numéro de norme GB/T31485-2015628638) ne sera pas mis en œuvre. Le groupe de rédaction estime que l'épreuve d'acupuncture est incompatible avec le mode de défaillance réel dans les normes étrangères IEC62660-2 et IEC62660-3 et n'utilise pas l'épreuve d'acupuncture pour évaluer la sécurité de la batterie. Cependant, tous les types d'exigences d'essai sont difficiles à reproduire complètement l'essai des conditions de défaillance réelles, qui ne reflètent qu'indirectement certains modes de défaillance typiques extraits du mode de défaillance. Dans les applications pratiques, il doit être possible qu'un corps étranger pénètre dans la batterie et y provoque un court-circuit. Outre les deux normes de l'IEC, SAEJ2464 et UL2580, les exigences relatives à l'acupuncture sont également clairement énoncées. À cet égard, les exigences des normes nationales sont réduites. Aujourd'hui, sur le marché des véhicules purement électriques, la densité énergétique des batteries augmente et le degré de danger de défaillance des batteries dans les conditions d'essai est également en hausse.

1.2 Test de court-circuit

L'exigence du court-circuit unique est que les pôles positif et négatif de la batterie unique doivent être inférieurs à 5mΩ d'observation pendant 1h à travers le court-circuit externe pendant 10min. Au cours de ce processus, la batterie ne doit ni exploser ni s'enflammer. Le court-circuit du module doit être le module de la batterie à travers le court-circuit externe pendant 10 minutes. La résistance de la ligne externe doit être inférieure à 5mΩ pendant 1h. Pendant ce processus, le module de la batterie ne doit ni exploser ni s'enflammer.

Si l'on prend comme exemple l'essai de court-circuit du module de batterie en matériau ternaire de 60 Ah, la tension de la batterie du module entièrement chargé est de 204 V et la résistance au court-circuit est de 3 m2. Pendant l'essai, on constate que le courant de décharge continu de la batterie avec un courant maximal transitoire de 3293 A pendant le processus de court-circuit est d'environ 3 000 A

Le courant important généré pendant le processus de court-circuit provoque une augmentation rapide de la température de la batterie à l'intérieur de la batterie lithium-ion. Sous l'action de la température élevée, la réaction exothermique et la réaction de production de gaz entre les matériaux des électrodes positives et négatives et l'électrolyte décrits ici se produisent à l'intérieur de la batterie. L'électrolyte vaporisé et d'autres gaz combustibles traversent le boîtier de la batterie et se répandent dans l'air, comme le montre la figure 3, tandis que la température élevée enflamme le carbonate linéaire, dont le point d'éclair est plus bas, pour former un phénomène d'incendie de la batterie, comme le montre la figure 4.

Une autre possibilité est un incendie à l'extérieur de la batterie causé par un court-circuit. La température de la batterie continue d'augmenter pendant le court-circuit, et la température élevée enflamme les fils de support inflammables à l'extérieur de la batterie ou la peau protectrice non ignifuge de la batterie, comme le montre la figure 5.