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Test de court-circuit interne d'une batterie au lithium-ion

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Test de court-circuit interne d'une batterie au lithium-ion

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Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans divers domaines tels que les appareils mobiles, le stockage de l'énergie et les véhicules à énergie nouvelle, avec leurs avantages de durée de vie élevée et d'énergie, mais par rapport à d'autres types de batteries, leur sécurité est le principal problème à résoudre. Les batteries lithium-ion posent des problèmes de sécurité principalement en raison de la production de chaleur et, finalement, de l'emballement thermique. Les raisons de l'emballement thermique sont principalement un court-circuit, une défaillance de connexion, une cuisson à haute température, une immersion dans l'eau, etc. Dans cet article, l'étude systématique de la méthode de simulation du principe de court-circuit interne et des mesures de détection préventive permettra de mieux comprendre la méthode de contrôle des problèmes de sécurité des batteries et fournira des références pour une application plus large des batteries lithium-ion.

Méthode d'essai de simulation de court-circuit

La pénétration d'un clou, l'extrusion, la chute, l'impact lourd et d'autres tests sont les méthodes d'essai de simulation de court-circuit les plus courantes dans les normes, telles que QC/T743-2006, SAND2005-3123, UL2580-2011, SAE2464 et d'autres normes.

Afin de mieux simuler l'effet de court-circuit, les différentes méthodes d'essai sont soumises à des contraintes conditionnelles dans la norme. Les essais d'acupuncture spécifient la vitesse de piqûre de l'aiguille (QC/T743-2006 exige 10~40mm/s, d'autres normes exigent 80mm/s) et le diamètre de l'aiguille (généralement 3~8 mm) ; l'essai d'extrusion spécifie l'ampleur de la déformation de la pression d'extrusion (100 kN ou 1000 fois la masse de l'échantillon) (généralement 50% de la déformation) et la forme du disque d'extrusion (plaque d'extrusion de 30 mm avec un rayon de 75 mm) ; L'essai de chute spécifie les conditions de hauteur de chute (1 à 2 m) et de surface de contact (sol dur horizontal ou non plat) au moment de la chute.

La méthode expérimentale de simulation de court-circuit comprend également une expérience de chauffage par surcharge illimitée avec une résistance parallèle équivalente. La surcharge illimitée consiste à charger la batterie d'essai entièrement chargée avec un courant constant jusqu'à ce que la tension tombe à 0V ou produise une explosion de combustion. L'expérience de chauffage consiste à chauffer l'échantillon expérimental, la température de chauffage est déterminée par la résistance thermique du diaphragme, et le rétrécissement du diaphragme après le chauffage provoque un court-circuit interne : La résistance équivalente parallèle est principalement destinée au monomère parallèle, et l'un des monomères est commuté avec une résistance équivalente pour simuler un court-circuit interne.

L'avantage de la méthode ci-dessus est qu'elle est simple et facile à mettre en œuvre, mais son inconvénient est qu'elle ne reflète que le phénomène apparent après le court-circuit interne, et que l'accumulation d'énergie thermique qui a été générée avant le court-circuit interne sans restriction de surcharge ne peut pas être bien définie pour la chaleur libérée après le court-circuit. En outre, il existe également une certaine incertitude quant à la partie de la cellule où se produit le court-circuit interne causé par la méthode susmentionnée 14, ce qui limite l'analyse du mécanisme.

Le court-circuit interne forcé consiste principalement à ajouter des pièces métalliques encastrées et des trous de perforation du diaphragme à l'intérieur de la batterie, puis à combiner la forme d'extrusion externe pour obtenir des courts-circuits internes dans différentes parties de la batterie. En outre, le centre du court-circuit est évalué en ajoutant un métal ou un alliage à bas point de fusion à l'électrode, en la chauffant et en la faisant fondre, en contrôlant la tension, la température, le son, la lumière et d'autres moyens (6. Ces méthodes peuvent mieux refléter l'impact des courts-circuits dans différentes parties de la batterie. L'inconvénient est que la batterie doit être isolée de l'air pendant le processus de démontage et d'assemblage, et qu'il existe également des exigences strictes en matière d'humidité, de propreté et de niveau d'emballage.

Mesures de prévention des courts-circuits internes et méthodes de détection

1.Mesures de prévention des courts-circuits internes

(1) Matériaux de la batterie, amélioration du processus

La prévention passe principalement par l'utilisation de matériaux de diaphragme et d'additifs d'électrolyte pour empêcher le mélange d'impuretés dans le processus de production de la batterie, ainsi que par le test de fiabilité du processus de production.

Le risque de court-circuit peut être minimisé en utilisant des membranes en céramique. Si un court-circuit est inévitable, le courant de court-circuit peut également être réduit en recouvrant le matériau de l'électrode d'une couche de matériau PTC, de manière à augmenter la résistance de la couche PTC lorsque le court-circuit se produit, supprimant ainsi la génération d'un emballement thermique. En outre, comme l'électrolyte actuellement utilisé est basé sur le système de carbonate d'alkyle, il est facile de le volatiliser et de le brûler dans la batterie. Une mauvaise utilisation de l'accumulation de chaleur produira une combustion ou une explosion, en concevant l'électrolyte comme un électrolyte ignifuge ou en utilisant un électrolyte liquide ionique ou en ajoutant un matériau oligomère maléimide, les risques de sécurité générés par les courts-circuits seront considérablement réduits.

Optimiser et améliorer le processus d'élimination des impuretés dans la production des cellules de batterie afin d'éliminer la poussière de fer et de métal, d'une part, pour éviter des réactions secondaires irréversibles avec l'électrolyte pendant la charge et la décharge, d'autre part, la présence de particules d'impureté augmente encore le risque de perforation du diaphragme et de court-circuit interne. Les rayons X peuvent également être utilisés pour détecter l'alignement des plaques internes de la batterie, évitant ainsi le risque potentiel de courts-circuits.

(2) Utilisation de la batterie

Empêcher la charge à basse température de l'évolution du lithium. Dans des conditions de basse température, la conductivité ionique et le coefficient de diffusion des batteries lithium-ion sont fortement réduits, ce qui peut facilement entraîner un dégagement de lithium pendant la charge. La batterie doit donc être préchauffée à la température de charge appropriée lorsqu'elle est utilisée à basse température, afin d'éviter que la batterie ne génère des dendrites de lithium et ne perfore le diaphragme lors de la charge à basse température.

Conception redondante du taux de charge et de décharge de la batterie. La conception redondante permet à la batterie de toujours fonctionner dans un état de faible charge, ce qui peut protéger efficacement la batterie et réduire considérablement le risque de courts-circuits internes sous des charges élevées.

Améliorer la conductivité thermique de la batterie ou supprimer la capacité de production de chaleur, car le court-circuit interne de la batterie génère instantanément une grande quantité de chaleur. Si la chaleur s'accumule, elle entraîne la décomposition de l'électrolyte, la réaction d'oxydation/réduction entre l'électrolyte et la surface positive/négative des électrodes positives et négatives, ainsi que la contraction et la décomposition du diaphragme, ce qui provoque un emballement thermique.

2.Un moyen de détecter les courts-circuits à l'intérieur de la batterie

Détection thermique : pour déterminer si un court-circuit s'est produit, un thermocouple est fixé sur la paroi latérale de la batterie afin de détecter les changements de température. Étant donné que la chaleur est conduite de l'intérieur vers l'extérieur lorsque le court-circuit se produit, la température montre qu'il y a un certain décalage, de sorte que la situation de court-circuit ne peut pas être renvoyée immédiatement.

La détection des anomalies de tension surveille la situation de court-circuit interne de la batterie en contrôlant la chute de tension au cours du processus de charge continue d'un petit courant. Par exemple, lors de la charge d'une batterie de 80 Ah avec un courant constant de 3 A, si la chute de tension dépasse 100 mV, il est déterminé que la batterie présente un court-circuit interne.

Détection des anomalies de capacité : Il existe un brevet concernant la méthode de détection des courts-circuits internes : au cours du processus de charge, la capacité de charge est comparée à la capacité de référence dans la plage de tension actuellement définie, car lorsque le court-circuit interne se produit, une partie de l'énergie électrique est convertie en dissipation d'énergie thermique, de sorte que la capacité de charge pendant le processus de charge est plus élevée que lorsque le court-circuit interne ne se produit pas, de sorte que lorsque la capacité de charge est supérieure à la capacité de référence, l'anomalie de court-circuit interne est signalée.

Résumé

Le court-circuit interne d'une batterie lithium-ion est très facile à provoquer un emballement thermique, c'est pourquoi, à partir du mécanisme de la main, il faut saisir la cause de sa formation, l'étudier plus en détail par la simulation, de manière à prévenir et à détecter le court-circuit interne de la batterie lithium-ion par divers moyens, afin de garantir la sécurité de la batterie lithium-ion en cours d'utilisation.