Essais partiels sur la sécurité des piles au lithium - Partie 1

Essais partiels sur la sécurité des piles au lithium - Partie 1

Depuis la production de masse de la batterie au lithium, celle-ci a rapidement dominé la tendance dans le domaine des batteries grâce à ses excellentes performances, telles qu'un rapport énergétique élevé, une longue durée de vie et une tension d'électrode élevée. Elle présente un avantage absolu dans les secteurs de la téléphonie mobile, de l'informatique et d'autres industries, et est devenue l'un des principaux sujets de recherche sur les véhicules à énergie nouvelle. Afin de répondre aux exigences du marché en matière d'énergie de stockage élevée, les entreprises augmentent la recherche et le développement de l'énergie spécifique d'une batterie unique. Bien que cela puisse améliorer l'autonomie des téléphones mobiles, la densité énergétique volumique d'une batterie unique est de plus en plus élevée, et les problèmes de sécurité deviennent de plus en plus importants. Le principal facteur limitant la promotion commerciale des batteries lithium-ion de grande capacité est la sécurité, et il existe de nombreux risques potentiels en la matière. Afin d'analyser et de résoudre ces problèmes, plusieurs normes de sécurité internationales ont été proposées, telles que IEC62133, UL1642, IEEE1625, etc. La norme recommandée GB / T18287-2000 a également été introduite en Chine. Parallèlement, afin de garantir la sécurité des piles au lithium dans l'aviation, le transport longue distance et l'utilisation d'équipements, les normes UN38.3, GB4943, etc. ont été introduites. Toutefois, ces dernières années, avec l'utilisation à grande échelle du marché et l'augmentation de la capacité propre de la batterie, la probabilité de problèmes graves tels que l'incendie et l'explosion des batteries au lithium dans des conditions d'abus (telles que la surcharge et la décharge excessive du chauffage, le court-circuit, les vibrations, l'extrusion, etc. Diverses entreprises investissent dans le développement de nouvelles technologies de prévention de la sécurité des piles au lithium, tout en simulant des problèmes possibles afin de mettre en œuvre des méthodes de détection plus adaptées, telles que le test de court-circuit interne obligatoire JISC8714 du Japon, le test de température limite supérieure et inférieure de la CEI et le test d'acupuncture. Afin de répondre à la demande du marché, les normes de sécurité existantes ont également été mises à jour en Chine et révisées en GB/T18287-2013, GB31241-2014 ; cet article explore brièvement certaines des méthodes de détection actuelles.

Test de pénétration des ongles

L'essai de pénétration de l'ongle est un court-circuit interne forcé. Sous une température ambiante de 20 ℃ ± 5 ℃, la batterie est entièrement chargée avec un courant de charge standard, un thermocouple est collé près du centre de la batterie et placé dans la hotte, et une aiguille en acier inoxydable de 3 mm de diamètre est utilisée pour percer rapidement la batterie à la vitesse de 20 mm/s. L'aiguille doit pénétrer complètement de l'autre côté de la batterie, puis l'aiguille en acier reste immobile pendant 1 minute. Observez si la batterie prend feu et explose, et détectez les données de changement de température de la batterie en même temps. Le critère de réussite de l'expérience est que la pile ne prenne pas feu et n'explose pas. Ce type de test n'étant pas facile à réussir, le problème de la simulation du scénario est contesté et le test ne figure pas dans la norme nationale GB / T18287. QC / T743-2006 a un test à l'aiguille : utiliser une aiguille en acier résistante aux hautes températures de ø 3mm ~ ø 8mm pour pénétrer dans la direction perpendiculaire à la plaque de la batterie (l'aiguille en acier reste dans la batterie). La batterie ne doit pas exploser ni prendre feu.

Le test de pénétration de l'aiguille simule le problème de sécurité qui se pose lorsque des objets étrangers, en particulier des substances métalliques tranchantes, poignardent la surface de la batterie. À ce moment-là, le film d'isolation de la batterie est percé et les électrodes positives et négatives de la batterie sont instantanément court-circuitées. Le courant de court-circuit peut produire instantanément beaucoup de chaleur. L'acupuncture provoque un court-circuit de la batterie au point d'acupuncture. L'aiguille en acier elle-même devient le point de court-circuit et génère une grande quantité de chaleur pour former une zone de surchauffe locale le long de la batterie autour de l'aiguille en acier. La résistance au courant continu de la batterie est R, la résistance de la zone de court-circuit est r, la tension de la batterie est U et la puissance de génération de chaleur dans la zone de circuit est Q : Q = U²r / (R + r)². Lorsque la température dans la zone de surchauffe locale dépasse le point critique, le chauffage devient incontrôlable. Actuellement, l'électrolyte le plus couramment utilisé pour les batteries lithium-ion industrielles est le solvant mixte de LiPF6 et de carbonate d'alkyle (y compris ECPC, decemc, etc.). Les points d'éclair de ces solvants courants sont les suivants : 160 ℃ (EC) 132 ℃ (PC) 31 ℃ (DEC) 31C (DMC). Dans le même temps, l'électrolyte déclenche également une réaction de décomposition. La réaction de décomposition a lieu entre 170 ℃ et 330 ℃, et le dégagement de chaleur est d'environ 460 J / g, ce qui est lié au sel de lithium et au solvant. L'expérience a montré que la température de la batterie générale augmente fortement après le court-circuitage de l'aiguille et peut atteindre environ 120 ℃ en quelques secondes. Le carbonate d'alkyle étant très facile à brûler, lorsque la coque de la batterie lithium-ion est percée, le solvant s'échappe et entre en contact avec l'oxygène de l'air, il est possible d'enflammer le solvant organique dans la zone surchauffée près de l'aiguille en acier, ce qui provoquera l'inflammation ou la détonation interne de la batterie.

Les piles au lithium sont constituées de plusieurs électrodes positives et négatives connectées en parallèle, comme le montre la figure 1. La pointe de l'ongle perce d'abord lentement la membrane d'isolation positive et négative de la première couche ; à ce moment, le courant de décharge de la première couche de morceaux d'électrodes parallèles est très important, et les morceaux d'électrodes restants sans court-circuit sont déchargés et chauffés par le premier point de court-circuit ; Continuer à pénétrer dans la membrane d'isolation du deuxième fragment d'électrode, et les électrodes restantes qui n'ont pas encore été court-circuitées sont légèrement réduites par le courant de décharge aux deux points de court-circuit actuels ; continuer à percer, le courant de court-circuit continue à diminuer séquentiellement jusqu'à ce qu'il pénètre complètement la membrane d'isolation du fragment d'électrode parallèle de la batterie. À ce moment-là, le point de court-circuit se produit entre toutes les électrodes et le court-circuit continue de se produire avec un courant de court-circuit minimal. Si la vitesse de piqûre de l'aiguille est plus rapide, par exemple 40 mm/s, on peut considérer que le courant de court-circuit chauffe toutes les électrodes sous le même courant de court-circuit ; si la vitesse est lente, par exemple 0,1 mm/s, lorsqu'elle perce la préélectrode, le courant de décharge est important, la chaleur instantanée est plus élevée et une température élevée est générée, ce qui peut stimuler la réaction de décomposition de l'électrolyte, provoquant l'incendie de la batterie. Si la pointe de l'aiguille vient de percer la surface de la pile pendant l'expérience et s'arrête, le courant de court-circuit est extrêmement important à ce moment-là, et le risque d'incendie est très élevé. Afin d'assurer la répétabilité et la reproductibilité de l'essai, il est nécessaire de spécifier avec précision l'équipement utilisé, de déterminer le diamètre, la dureté, l'état de surface, la longueur et la conicité de la pointe de l'aiguille, de déterminer le nombre de fois que l'aiguille est réutilisée et les conditions d'élimination ; garantir de pénétrer la pile à la même vitesse à chaque fois. La profondeur de pénétration de la batterie nécessite également une spécification uniforme.