Analyse des essais de sécurité des batteries lithium-ion

Analyse des essais de sécurité des batteries lithium-ion

La sécurité des batteries lithium-ion est notre priorité, en particulier dans les domaines liés à la sécurité de nos vies et de nos biens, tels que les voitures particulières. Afin de garantir la sécurité des batteries lithium-ion, les gens ont conçu une variété de tests de sécurité pour garantir la sécurité des batteries lithium-ion en cas d'abus. Par conséquent, du point de vue de l'optimisation de la conception de la structure de la batterie, la manière de passer cette série de tests de sécurité est un nouveau problème que nous devons prendre en considération.

Compte tenu des risques de sécurité que les batteries lithium-ion peuvent rencontrer dans la pratique, nous avons conçu des tests de sécurité tels que l'extrusion, l'acupuncture, le court-circuit, la surcharge et la décharge, la température élevée et la température basse. Parmi les nombreux tests de sécurité, les tests d'extrusion, d'acupuncture et de court-circuit externe simulant des courts-circuits internes et externes de batteries lithium-ion sont les plus conventionnels et les plus difficiles à réussir. La raison principale est que le courant instantané dans les deux tests de sécurité est trop important. En raison de l'impédance ohmique et d'autres facteurs, une grande quantité de chaleur est générée dans la batterie lithium-ion pendant un certain temps. Limitée par la structure de la batterie lithium-ion, cette chaleur ne peut pas se diffuser rapidement à l'extérieur de la batterie, ce qui entraîne une température élevée de la batterie lithium-ion, la décomposition et la combustion des substances actives et de l'électrolyte, la chaleur devenant incontrôlable.

Si l'on prend l'exemple de la batterie carrée couramment utilisée dans les véhicules électriques, en raison de la conception structurelle, la vitesse de diffusion de la chaleur générée dans chaque partie de la batterie est différente, de sorte qu'il y aura un gradient de température évident dans le sens du plan et dans le sens de l'épaisseur de la batterie. En cas de courant élevé, la chaleur générée dans la batterie, en particulier au milieu de la cellule, ne peut pas être bien diffusée, de sorte que la température à l'intérieur de la cellule augmente brusquement, ce qui entraîne des problèmes de sécurité.

Test d'extrusion

Dans le test d'extrusion, avec l'augmentation du degré de déformation de la batterie, les collecteurs de courant positif et négatif seront déchirés en premier, glisseront le long de la ligne de défaillance à 45 degrés, et le matériau actif sera également endommagé, entrant dans la ligne de défaillance à 45 degrés. Avec l'augmentation continue de la déformation de la membrane, celle-ci atteint finalement le point de défaillance, ce qui provoque l'apparition d'un court-circuit positif et négatif. Le court-circuit positif et négatif causé par l'extrusion est principalement un court-circuit ponctuel. Par conséquent, un courant très important est généré au point de court-circuit et la chaleur est libérée de manière intensive, ce qui entraîne une forte augmentation de la température au point de court-circuit. Il est donc facile de provoquer un échauffement incontrôlable.

Test de pénétration des clous

L'expérience de pénétration de l'ongle est également une méthode utilisée pour simuler le court-circuit interne d'une batterie lithium-ion. Son principe de base consiste à utiliser une aiguille métallique pour l'insérer lentement à l'intérieur de la batterie lithium-ion à une certaine vitesse, ce qui provoque un court-circuit interne de la batterie lithium-ion. À ce moment-là, l'énergie de l'ensemble de la batterie lithium-ion est libérée par le point de court-circuit. Des études pertinentes montrent que lorsque le court-circuit interne se produit, environ 70 % de l'énergie au maximum est libérée par le point de court-circuit en l'espace de 60 secondes, et cette partie de la chaleur est finalement convertie en énergie thermique. La chaleur générée ne pouvant être diffusée à temps, la température instantanée du point de court-circuit peut atteindre plus de 1000 ℃, ce qui entraîne un échauffement incontrôlé.

Essai de court-circuit externe

Comparé aux expériences d'extrusion et d'acupuncture susmentionnées, le test de court-circuit externe est relativement doux. Le test de court-circuit externe consiste à connecter la batterie lithium-ion à une résistance fixe, et la puissance de la batterie lithium-ion est libérée par la résistance. Le courant de court-circuit peut être contrôlé en fonction de la résistance fixe, de quelques dizaines d'ampères à des centaines d'AMPS, voire des milliers d'ampères. En raison du courant élevé, une grande quantité de chaleur s'accumule dans la batterie lithium-ion en peu de temps, ce qui peut entraîner un emballement thermique de la batterie lithium-ion.

La réussite du test de court-circuit dépend principalement du courant de court-circuit. Plus le courant de court-circuit est élevé, plus le taux de génération de chaleur de la batterie lithium-ion est rapide, tandis que le taux de diffusion de la chaleur de la batterie lithium-ion ne change pas beaucoup. Par conséquent, la chaleur s'accumule dans la batterie lithium-ion et la température augmente, ce qui peut entraîner la contraction du diaphragme, des problèmes graves tels qu'un court-circuit entre les électrodes positives et négatives, et un emballement thermique de la batterie lithium-ion.

Le principal facteur affectant le courant de court-circuit d'une batterie lithium-ion est la valeur de la résistance de court-circuit, suivie de facteurs tels que la résistance interne et l'état de charge de la batterie lithium-ion. Des chercheurs néerlandais ont découvert que pendant le processus de court-circuit d'une batterie lithium-ion, le changement de courant est principalement divisé en plusieurs parties, et le courant de décharge de la zone 1 de la batterie peut atteindre 274 c. Cette partie est principalement due à la décharge de la double couche électrique et de la couche de diffusion de la batterie lithium-ion. Dans la zone 2, le taux de décharge de la batterie lithium-ion peut atteindre 50-60c. Le principal facteur limitant de cette partie du courant est la diffusion du matériau. En raison de l'accumulation de chaleur, l'emballement thermique de la batterie peut se produire dans cette zone. Dans la zone 3, le courant de décharge de la batterie diminue progressivement avec la baisse de la force motrice.

Leurs recherches ont également révélé que le principal facteur influençant les résultats du test de court-circuit est le rapport entre la résistance de court-circuit et la résistance interne de la batterie au lithium-ion, qui est encore plus important que la résistance interne de la batterie au lithium-ion et l'état de charge de la batterie. On peut constater que plus la valeur de la résistance de court-circuit est proche de la batterie au lithium-ion, plus cette dernière est sujette à l'emballement thermique. La batterie lithium-ion ne peut réussir le test de sécurité en cas de court-circuit que si la valeur de la résistance de court-circuit est plus de 9 à 12 fois supérieure à la résistance interne de la batterie lithium-ion. En fait, il n'est pas difficile de comprendre que dans le processus de décharge de court-circuit, la chaleur est principalement générée par la résistance de court-circuit du circuit externe et la résistance interne de la batterie. Selon la formule de la chaleur Joule P = I2R, lorsque le courant est le même, la puissance de chauffage est directement proportionnelle à la plage de résistance. Lorsque l'énergie de la batterie est certaine, la partie ayant une grande résistance générera naturellement plus de chaleur.

D'après l'analyse ci-dessus, il n'est pas difficile de voir que les facteurs affectant les résultats des tests de sécurité des batteries lithium-ion sont principalement le taux de génération de chaleur et le taux de dissipation de chaleur. La réduction du taux de génération de chaleur pendant le processus d'essai de sécurité au moyen d'une conception de protection de la sécurité, ou la réduction du courant et la prévention de la génération continue de chaleur si nécessaire, peuvent efficacement éviter l'emballement thermique des batteries au lithium-ion. La seconde consiste à améliorer le taux de dissipation thermique des batteries lithium-ion. En améliorant le taux de dissipation de la chaleur grâce à la conception structurelle de la batterie lithium-ion, la température de la batterie lithium-ion peut être efficacement évitée. En particulier au niveau du bloc-batterie, des moyens de dissipation thermique correspondants doivent être mis en place pour dissiper rapidement la chaleur en cas d'emballement thermique de certaines batteries au lithium-ion, afin d'éviter toute réaction en chaîne.