Испытание на тепловой разгон тройной литий-ионной батареи большой емкости серии 9

Обзор – Тройная литий-ионная батарея

В данной статье исследуется адиабатическое рассеивание тепла тройной литий-ионной батареи NCM серии 9 емкостью 130 А·ч со сверхвысоким содержанием никеля с использованием адиабатического калориметра для больших батарей BAC-420A, что восполняет недостаток в отрасли данных о тепловом разгоне для сверхвысоконикелевых сердечников большой емкости.

Введение – Тройная литий-ионная батарея

Сверхвысоконикелевая тройная литий-ионная батарея 9-й серии относится к тройной литий-ионной батарее с соотношением элементов положительного электродного материала Ni:Co:Mn=9:0,5:0,5. Как решение, которое максимально увеличило потенциал материалов положительного электрода литиевой батареи в краткосрочной перспективе, теоретическая плотность энергии литиевых батарей 9-й серии даже превышает 300 Вт·ч/кг. Благодаря сверхвысокой плотности энергии литиевых батарей 9-й серии они привлекли пристальное внимание OEM-производителей, стремящихся улучшить диапазон новых энергетических транспортных средств. 

Однако высокая плотность энергии сопровождается потенциально высокими рисками. Поэтому получение характеристик теплового разгона батарей 9-й серии особенно важно. Однако процесс теплового разгона литиевых батарей 9-й серии очень интенсивен, с высокой вероятностью повреждения приборов. Таким образом, экспериментальные данные по адиабатическому тепловому разгону литиевых батарей 9-й серии крайне ограничены, а проектирование теплового управления батареями не имеет экспериментальной поддержки.

В этой статье были проведены адиабатические испытания на тепловой разгон на литий-ионных аккумуляторах NCM серии 130 Ач с ультравысоким содержанием никеля 9-й серии с использованием адиабатического калориметра для больших аккумуляторов BAC-420A для получения соответствующих термодинамических характеристик процесса теплового разгона этого аккумулятора. Соответствующие результаты полезны для исследователей для выяснения опасностей теплового разгона аккумуляторов серии 9 и оптимизации конструкции безопасности аккумулятора.

Экспериментальная секция

1. Подготовка образца

1.1 Экспериментальный образец: литий-ионный аккумулятор NCM 9-й серии емкостью 130 Ач 1, 260 мм 100 мм * 25 мм, 100% SOC.

2. Условия эксперимента

2.1 Экспериментальный прибор: адиабатический калориметр большой батареи BAC-420A;

2.2 Режим работы: режим ГВС, базовый режим разности температур;

2.3 Стандартный алюминиевый блок: материал — алюминиевый сплав 6061.

Рисунок 1: Адиабатический калориметр с большой батареей (BAC-420A)

3. Экспериментальная процедура

3.1 Калибровка базовой линии по разнице температур: Проведите эксперименты в режиме базовой линии по разнице температур, используя стандартные алюминиевые блоки, соответствующие размеру и форме батареи, для калибровки термопар и приборов.

3.2 Эксперимент HWS со стандартным алюминиевым блоком: Проведите эксперименты в режиме HWS с использованием стандартных алюминиевых блоков, чтобы проверить эффективность калибровки базовой линии разницы температур и адиабатические характеристики приборов в ходе экспериментального процесса.

3.3 Эксперимент по исследованию HWS на аккумуляторе: Чтобы предотвратить повреждение камеры печи из-за теплового разгона аккумуляторами 9-й серии, снаружи аккумулятора устанавливается защитный кожух из металлической сетки, как показано на рисунке 2, и проводятся эксперименты по исследованию адиабатического теплового разгона в режиме HWS.

Рисунок 2: Принципиальная схема и фактическое фото экспериментальной установки для экспериментов с 9-серийной батареей

3.4 Эксперимент с использованием стандартного алюминиевого блока HWS: После эксперимента с использованием аккумулятора HWS проведите новый проверочный эксперимент с использованием стандартных алюминиевых блоков, чтобы проверить, нормально ли работает прибор после теплового разгона, а также степень дрейфа датчика.

Экспериментальные результаты

Рисунок 3: (a) Кривая зависимости температуры от времени и (b) кривая скорости повышения температуры от температуры адиабатического теплового разгона батареи

Как показано на рисунке 3(a), скорость повышения температуры саморазогрева батареи достигла порога обнаружения Tonset 0,02°C/мин при 82,68°C. При 131,67°C была достигнута температура сброса Tv, и открылся клапан сброса давления. Затем при 169,49°C была достигнута температура начала теплового разгона TTR (60°C/мин), и батарея испытала тепловой разгон. В течение нескольких секунд температура быстро возросла примерно до 1090°C, при этом максимальная скорость повышения температуры (dT/dt)max превысила 40000°C/мин. 

Кроме того, как видно из экранов мониторинга внутри и снаружи взрывозащищенного корпуса, показанного на рисунке 4, можно отметить, что процесс теплового разгона батареи был чрезвычайно интенсивным. Сильное струйное пламя и большое количество дыма были выброшены в течение очень короткого периода. Одновременно с этим мгновенно созданный поток воздуха высокой температуры и высокого давления оказал определенное воздействие на стены лаборатории.

Рисунок 4: (a) Видео внутри взрывозащищенного корпуса и (b) Видео снаружи взрывозащищенного корпуса

Рисунок 5: Фотография остатков аккумулятора

Наблюдая за остатками батареи, можно заметить, что положение выпускного клапана полностью разрушено. Между тем, остатки батареи в основном состоят из внешней алюминиевой оболочки, а почти все внутренние материалы батареи выброшены из выпускного отверстия. Скорость потери массы батареи после теплового разгона достигла 85,97%, что указывает на серьезность теплового разгона ячейки 9-й серии.

Рисунок 6: (а) Кривые скорости повышения температуры алюминиевых блоков в режиме HWS до теплового разгона батареи и (б) после теплового разгона батареи

Перед испытанием батареи изоляционные характеристики прибора были проверены посредством экспериментов HWS со стандартными алюминиевыми блоками, как показано на рисунке 6(a), где скорости повышения температуры на каждом температурном этапе алюминиевых блоков были менее ±0,002°C/мин. После испытания батареи, чтобы подтвердить, может ли прибор по-прежнему нормально функционировать после того, как выдержал сильный взрыв литиевой батареи 9-й серии, был проведен новый набор экспериментов HWS со стандартными алюминиевыми блоками. 

Рисунок 6(b) показывает, что прибор работал хорошо во время эксперимента, при этом скорость повышения температуры для каждого шага алюминиевых блоков оставалась ниже ±0,002°C/мин. Характеристики изоляции оставались превосходными, что свидетельствует о том, что прибор работал правильно и что датчики не демонстрировали значительного дрейфа.

Знакомство с адиабатическим калориметром большой батареи (BAC-420A) от ZEAL INSTRUMENTS

1. Моделирование идеальных условий: BAC-420A создает идеальную адиабатическую среду, позволяя точно измерять критические параметры, такие как температура начала теплового разгона, максимальная скорость повышения температуры и адиабатический рост температуры. Это позволяет исследователям понять сложные механизмы, лежащие в основе теплового разгона батареи, и анализировать процесс диффузии тепла и распространения огня с высокой точностью.
2. Комплексный сбор данных: BAC-420A с одновременным мониторингом напряжения, тока, температуры и давления батареи обеспечивает глубокий анализ теплового разгона. Эта комплексная возможность сбора данных обеспечивает исследователям доступ к большому объему информации для повышения безопасности батареи.
3. Интегрированный модуль зарядки и разрядки: Устройство оснащено интегрированным модулем зарядки и разрядки, что обеспечивает плавное переключение режимов, настраиваемые параметры зарядки, регулировку тока и расчеты емкости аккумулятора в реальном времени. Эта функция позволяет исследователям адаптировать эксперименты в соответствии со своими конкретными требованиями и получать точные результаты.
4. Улучшенное тестирование удельной теплоемкости: BAC-420A повышает точность измерений удельной теплоемкости аккумуляторов с помощью режимов постоянной мощности и постоянной скорости. Этот уникальный процесс тестирования позволяет исследователям точно определять удельную теплоемкость аккумуляторов, что имеет решающее значение для понимания их теплового поведения.

Заключение

Тяжесть адиабатического теплового разгона в литиевых батареях NCM серии 9 с ультравысоким содержанием никеля большой емкости высока. Лаборатории должны иметь достаточные вентиляционные и взрывобезопасные зоны (рекомендуется более 50 квадратных метров), а стены лаборатории должны быть укреплены.

Адиабатический калориметр большой батареи BAC-420A демонстрирует превосходную устойчивость к давлению и взрывобезопасность, способный выдерживать воздействие теплового взрыва сверхвысокой плотности энергии, вызванного большим объемом ячеек.