¿Qué causó la falla de la batería 18650?

Con el rápido desarrollo de la industria de los vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio se utilizan ampliamente en el campo de las baterías de potencia debido a su alta densidad de energía, sin efecto memoria y alta seguridad. Debido a la particularidad de los vehículos eléctricos, también se requiere que la seguridad de las celdas de potencia sea mayor.

Por ejemplo, en el caso de un accidente de seguridad, como una colisión con un automóvil eléctrico, la batería de alimentación no debe incendiarse ni explotar para garantizar la seguridad del conductor. Por lo tanto, en la prueba de seguridad de la batería de potencia, incluye pruebas como extrusión y acupuntura que involucran el desempeño de seguridad de las baterías de iones de litio bajo abuso extremo. Si se pueden pasar o no estas rigurosas pruebas de seguridad es el estándar fundamental para evaluar la seguridad de una batería de iones de litio.

En la prueba de extrusión, la batería de iones de litio primero deforma la carcasa y luego comienza a apretar el núcleo. Dado que el diafragma preparado mediante el proceso de tracción en seco es actualmente menos fuerte en las direcciones transversal y diagonal, la deformación del núcleo alcanza un cierto grado. Cuando, la capa transversal del diafragma se romperá por primera vez, lo que dará como resultado un contacto directo entre los polos positivo y negativo de la batería de iones de litio, un cortocircuito y una liberación instantánea de una gran cantidad de calor, lo que da como resultado la descomposición del negativo. La membrana SEI, el material activo polar positivo y el electrolito, lo que resultó en el escape térmico de la batería de iones de litio. Eventualmente, provocó un incendio y una explosión de la batería de iones de litio.

Para evitar la fuga térmica en la prueba de extrusión de las baterías de iones de litio y mejorar la seguridad de las baterías de iones de litio, es necesario realizar una investigación en profundidad sobre el mecanismo de la fuga térmica en la prueba de extrusión de las baterías de iones de litio, a fin de realizar un diseño de seguridad específico de baterías de iones de litio. Para mejorar la seguridad de la batería de iones de litio en la prueba de extrusión. Aquí hay un vistazo a las últimas investigaciones del MIT.

JunerZhu y col. del Instituto de Tecnología de Massachusetts utilizó la batería 18650 para estudiar el mecanismo de fuga térmica de las baterías de iones de litio durante la extrusión axial, y utilizó el modelo de análisis de elementos finitos para realizar el análisis de simulación. El modelo restaura los efectos de diferentes presiones axiales en baterías de iones de litio y los resultados del análisis se verifican mediante tomografía computarizada. Los resultados de la simulación muestran que se pueden explicar dos tipos de razones para causar un cortocircuito de las baterías de iones de litio en las pruebas de extrusión.

Dado que las celdas 18650 generalmente se ensamblan verticalmente en baterías de potencia, la compresión axial es la principal causa de deformación de las celdas de iones de litio en caso de una caída en el paquete de baterías. Por lo tanto, JunerZhu estudió principalmente el mecanismo de cortocircuito de la batería de iones de litio causado por la deformación de la batería bajo presión axial.

Algunos modelos tradicionales asumen que el interior de una batería de iones de litio es un todo homogéneo, por lo que es imposible predecir con precisión los resultados de la prueba al predecir la prueba de compresión axial de la batería 18650. Esto se debe principalmente a la estructura especial del núcleo de la batería de iones de litio. Las partes superior e inferior del núcleo no son exactamente iguales, y debido a la estructura única de la cubierta de la batería de iones de litio (es decir, el electrodo positivo), la batería de iones de litio puede estar expuesta a presión axial antes del cortocircuito interno. ocurre el circuito. Provoca un cortocircuito en la batería de iones de litio.

La batería 18650 consta de tres partes principales: una válvula de seguridad, un núcleo de rodillo y una carcasa de acero con bajo contenido de carbono. La válvula de seguridad generalmente se compone de un material de coeficiente de temperatura positivo, una válvula de seguridad de aluminio, un extremo positivo de acero inoxidable, una almohadilla de sellado de gas, etc. El núcleo consta de un electrodo positivo, un electrodo negativo y un diafragma. En este experimento, la sustancia activa del electrodo positivo es LiCoO2. La velocidad de carga de carga axial es de 5 mm / min, y todas las celdas de prueba se han descargado completamente antes de la prueba (SOC = 0).

Los resultados de la prueba mostraron que la presión de la batería 18650 en la prueba de presión axial mostró una tendencia ascendente lenta, una tendencia ascendente rápida, una ligera tendencia a la baja, y la prueba de voltaje mostró que la batería 18650 no fallaría hasta que la deformación alcanzara 4 mm. Además, se descubrió a través de pruebas que la caída repentina de voltaje de la batería 18650 fue causada principalmente por el cortocircuito interno de la batería en lugar de la estructura interna.

Para estudiar el mecanismo de falla de 18650 bajo presión axial, JunerZhu también usó software de elementos finitos para analizarlo. Los materiales en el modelo utilizaron principalmente modelos ElastoPlastic y consideraron la Anisotropía de varios materiales. El modelo incluye millones de unidades informáticas y la velocidad de carga de la carga axial se establece en 1 m / s. Los resultados de la simulación reproducen la deformación de la batería 18650 bajo carga axial.

Primero, la carcasa en el área de la cubierta superior de la batería comienza a sufrir una deformación plástica. Después de que la deformación excede 1 mm, la carcasa deformada comienza a apretar la parte superior del núcleo de la batería. Con el aumento de la deformación, el núcleo comienza a deformarse. Como resultado, hay una ligera caída en la curva de presión y luego, con el aumento del área de contacto entre la carcasa de la batería y el núcleo, la curva de presión muestra una tendencia de rápido aumento. Los resultados de la tomografía computarizada también verifican el análisis anterior. La deformación de la batería de prueba ocurre principalmente en la superestructura, y la modificación de la subbatería casi no tiene deformación.

El desmantelamiento de la batería 18650 después de la prueba mostró que, aunque el núcleo había sufrido una deformación grave, los polos positivo y negativo no se rompieron. En cambio, se produjo una grieta en el diafragma a una distancia de 1,3 mm del borde superior, lo que provocó directamente la batería. Cortocircuito, el voltaje cayó repentinamente y esta grieta puede ser causada por el borde afilado de la invasión de la lámina metálica. Además, el grosor del diafragma se ha reducido considerablemente en algunos lugares, lo que se debe principalmente a la compresión del núcleo de la carcasa hundida.

A partir de los resultados del análisis anterior, las posibles razones del cortocircuito de la batería 18650 bajo presión axial son principalmente las siguientes.

1. La carcasa está en contacto con los polos positivo y negativo a través de un diafragma roto.

2. Contacto de los polos positivo y negativo a través de un diafragma roto

3. Los polos positivo y negativo entran en contacto a través del área donde el diafragma es delgado

4. La válvula de alivio se aprieta y entra en contacto con el núcleo.

A partir de los resultados de la prueba, se producirá un cortocircuito interno cuando la deformación axial de la celda 18650 alcance los 4 mm, por lo que se debe prestar especial atención al diseño de seguridad del paquete de baterías. Además, dado que la deformación se produce principalmente en la parte superior de la batería 18650 a presión axial, el diseño de seguridad de la parte superior de la batería 18650 también debe estar particularmente preocupado.

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