Чому акумулятори вимагають обов'язкового тестування на внутрішнє коротке замикання?

4 типи реакції на внутрішнє коротке замикання

Внутрішнє коротке замикання. Тема може здатися дещо спеціалізованою та складною, але насправді вона поділяється на чотири основні та прості типи реакцій. Далі ми розглянемо їх по черзі. 

• Внутрішнє коротке замикання між мідною та алюмінієвою фольгою

Спочатку розглянемо коротке замикання між мідною та алюмінієвою фольгою. У цьому випадку електрони потечуть від мідна фольга для акумуляторів до алюмінієвої фольги, оскільки алюміній має кращу провідність, ніж мідь.

Цей тип короткого замикання може призвести до зниження продуктивності акумулятора і навіть спричинити проблеми з безпекою. Щоб запобігти цьому, виробники акумуляторів використовують спеціальні ізоляційні матеріали на з'єднаннях батареї, щоб звести до мінімуму таку можливість.

• Внутрішнє коротке замикання між катодом і анодом

Далі відбувається внутрішнє коротке замикання між катодом і анодом. У цьому випадку електрони потечуть безпосередньо з одного кінця батареї до іншого, спричиняючи швидке збільшення струму. Це коротке замикання також може спричинити Безпека літій-іонних акумуляторів тому виробники акумуляторів також використовують спеціальні захисні конструкції всередині батареї, щоб запобігти цьому.

• Внутрішнє коротке замикання між катодом і алюмінієвою фольгою

Третій випадок - це внутрішнє коротке замикання між катодом і алюмінієвою фольгою. У цьому випадку електрони течуть від катода до алюмінієвої фольги. Таке коротке замикання може призвести до зниження продуктивності акумулятора, оскільки потік електронів впливає на ефективність заряджання і розряджання акумулятора.

Щоб цього не сталося, виробники акумуляторів використовують спеціальні захисні матеріали на аноді, щоб мінімізувати потік електронів.

• Внутрішнє коротке замикання між анодом і мідною фольгою

Останній тип - це внутрішнє коротке замикання між катодом і мідною фольгою, при якому електрони течуть від катода до мідної фольги. Цей тип короткого замикання також може призвести до зниження продуктивності батареї, але з іншої причини, ніж коротке замикання між анодом і алюмінієвою фольгою.

Це відбувається тому, що на катоді відбувається хімічна реакція, а не потік електронів. Щоб цього не сталося, виробники батарей використовують спеціальні захисні матеріали на катоді та оптимізують конструкцію батареї, щоб зменшити ймовірність хімічної реакції.

Чим відрізняється внутрішнє коротке замикання від зовнішнього?

Коротке замикання акумулятора - найпоширеніша несправність акумулятора, буває зовнішнє коротке замикання і внутрішнє коротке замикання. Існує певна різниця між ними:

Внутрішнє коротке замикання, при якому в літієвому акумуляторі внутрішній катод і анод безпосередньо контактують, звичайно, ступінь контакту різна, викликана подальша реакція також сильно варіюється.

Основними факторами, що викликають внутрішнє коротке замикання літієвої батареї, є: струмопровідний пил на поверхні сепаратора, неспіввісність катода і анода, задирки на полюсній частині і нерівномірний розподіл електроліту та інші технологічні фактори; металеві домішки в матеріалі;

Низькотемпературна зарядка, зарядка високим струмом, занадто швидке погіршення характеристик анода, що призводить до осадження літію на поверхні анода, вібрації або зіткнення тощо; спричинене механічним і термічним зловживанням, масштабним внутрішнім коротким замиканням.

Якщо внутрішнє коротке замикання є дефектом виробничого процесу, таке внутрішнє коротке замикання виникає повільно і займає кілька днів або навіть місяців, щоб перерости в спонтанне внутрішнє коротке замикання.

Механізми, задіяні в тривалому процесі гестації, є досить складними, дуже довгими, і неможливо передбачити, коли настане тепловий удар. Однак він є відносно м'яким, генерує дуже мало тепла і не викликає негайного підвищення температури (TR - Thermal Runaway Temperature TR).

Внутрішні короткі замикання, які виникають внаслідок механічного та термічного впливу, безпосередньо викликають спрацьовування ТР з різким вивільненням енергії, яке залежить від ступеня розриву сепаратора та тривалості часу від внутрішнього короткого замикання до моменту спрацьовування ТР.

Зовнішнє коротке замикання може виникнути внаслідок деформації, спричиненої зіткненням з автомобілем, зануренням у воду, забрудненням провідників або ураженням електричним струмом під час технічного обслуговування. Важливою ланкою посередині між зовнішнім коротким замиканням і тепловим розрядом літієвої батареї є висока температура.

Якщо тепло, що генерується зовнішнім коротким замиканням, не може бути добре розсіяне, температура літієвої батареї підвищується, а висока температура викликає теплову втечу. Тому відключення струму короткого замикання або розсіювання надлишкового тепла - це способи запобігти подальшій шкоді від зовнішнього короткого замикання.

У реальній експлуатації автомобіля ймовірність зовнішнього короткого замикання дуже низька, оскільки вся система автомобіля оснащена запобіжниками і системою управління літієвими батареями BMS, літієва батарея може витримувати короткочасний вплив високих струмів.

В екстремальних випадках точка короткого замикання перетинає запобіжник всього автомобіля, і в той же час BMS виходить з ладу, а більш тривале зовнішнє коротке замикання зазвичай призводить до згоряння слабкого місця з'єднання в ланцюзі, і рідко призводить до теплового розряду літієвої акумуляторної батареї.

Коли в акумуляторі виникає коротке замикання, це призводить до того, що акумулятор продовжує залишатися екзотермічним, а температура є досить високою, щоб розплавити загальний метал, що може спричинити пожежу або навіть вибух, створюючи серйозну загрозу для майна та безпеки життя. Тому все більше і більше бізнесменів приділяють більше уваги забезпеченню безпеки акумуляторів та їхньої продукції, щоб уникнути травм і втрати репутації бренду, спричинених нещасними випадками, пов'язаними з безпекою акумуляторів.

Отже, випробування та перевірка продукції є хорошим засобом профілактики, лише продовжуючи вдосконалювати, обґрунтовані стандарти випробувань обладнання та попит, щоб максимізувати безпеку якості продукції, уникнути виникнення нещасних випадків.

Чому випробування на внутрішнє коротке замикання є обов'язковим?

Важливим способом вимірювання внутрішньої безпеки електричного ядра є примусове випробування на внутрішнє коротке замикання, незалежно від того, загоряється воно чи вибухає, а також падіння тиску та підвищення температури електричного ядра. Початок масштабного виробництва акумуляторних батарей, питання безпеки стало висіти над головою галузі дамокловим мечем, який терміново потрібно вирішити.

Безпеку акумуляторів загалом можна розділити на три рівні: внутрішня безпека елемента, безпека різних рівнів захисту та (відносно) прийнятна безпека, передбачена нормами/стандартами. Наразі безпека, притаманна елементу, все ще залишається пріоритетним питанням для безпеки батарей.

Важливим способом вимірювання внутрішньої безпеки елемента є примусове внутрішнє коротке замикання, випробування на пожежу або вибух, а також падіння напруги і підвищення температури елемента.

Значення обов'язкових випробувань на внутрішнє коротке замикання

Існує багато факторів, які можуть спричинити внутрішнє коротке замикання елемента акумулятора, включаючи характеристики сепаратора, його розробку та конструкцію, виробництво акумуляторів процес, пакування і транспортування, монтаж і застосування, використання, технічне обслуговування і повторне використання тощо. Усі ці сценарії можуть спричинити непряме або пряме внутрішнє коротке замикання елемента живлення.

Обов'язкове випробування на внутрішнє коротке замикання елемента акумулятора полягає в тому, щоб перевірити, чи має елемент акумулятора внутрішнє коротке замикання і чи загориться він або вибухне при виникненні внутрішнього короткого замикання шляхом моделювання екстремальної ситуації, щоб визначити характеристики іскробезпеки елемента акумулятора, а також характеристики безпеки акумуляторної системи.

Застосування примусового випробування на внутрішнє коротке замикання

Більшість стандартів на акумуляторні батареї регламентують обов'язковий тест на внутрішнє коротке замикання для елементів батареї, і багато брендів акумуляторів і акумуляторних застосувань прийняли цю програму випробувань як свою корпоративну специфікацію.

Обов'язковий тест на внутрішнє коротке замикання для елементів батареї широко використовується при оцінці матеріали для акумуляторіврозробка, дизайн, виробничий процес, і навіть відповідність акумуляторних модулів та акумуляторних систем.

Стандарти для обов'язкових випробувань на внутрішнє коротке замикання

IEC 62133-2:2017/AMD1:2021 (Портативні акумулятори)
Додаток 9 (видання 1) (Портативні акумулятори)
JIS C 62133-2:2020 (Портативні акумулятори)
IEC 62660-3:2016 (Батареї живлення)
IEC 62619:2017 (Промислові акумулятори для зберігання енергії)

Методи примусового випробування на внутрішнє коротке замикання елемента акумулятора

• Попередня обробка елементів батареї

1. Елементи батареї необхідно заряджати при температурі 20 °C ± 5 °C відповідно до рекомендацій виробника, а потім розряджати при струмі 0,2 А до напруги відсічення розряду, визначеної виробником;
2. Батареї залишають на 1-4 години при верхній і нижній температурах зарядки, визначених виробником;
3. Заряджайте акумулятор на максимум зарядний струм і верхня межа зарядної напруги до тих пір, поки струм не знизиться до 0,05 А.

• Демонтаж елементів батареї

Розбирання комірки є критично важливим етапом обов'язкового випробування на внутрішнє коротке замикання, але він також є надзвичайно складним і суперечливим.

• Екструзія стрижнів

1. Після того, як температура поверхні активної зони стабілізується в межах 2 градусів від верхньої та нижньої граничної температури заряджання, вона готова до пресування;
2. Прес притискається до сердечника зі швидкістю 0,1 мм/с, а напруга на сердечнику контролюється зі швидкістю понад 100 разів на секунду;
3. При виявленні падіння напруги, викликаного внутрішнім коротким замиканням, екструзія повинна бути негайно зупинена і тиск повинен бути скинутий після утримання пресового інструменту в цьому положенні протягом 30 секунд. Якщо падіння напруги порівняно з початковою напругою перевищує 50 мВ, вважається, що сталося внутрішнє коротке замикання. до того, як падіння напруги досягне 50 мВ, якщо тиск досягне 800 Н (для циліндричних комірок) або 400 Н (для квадратних комірок), негайно припиніть пресування.
4. Визначення відповідності: Відсутність пожежі під час тестування (компанії можуть мати більш суворі критерії прийнятності).