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Engineering

सीटू में एक पर्यावरण कक्ष का उपयोग करके थर्मल रनवे के दौरान लिथियम-आयन कोशिकाओं का गैस विश्लेषण और अग्नि लक्षण वर्णन

Published: March 31, 2023 doi: 10.3791/65051
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Case Western Reserve University, 2UL Research Institutes

Summary

यहां, हम एक पर्यावरणीय कक्ष में विभिन्न मापदंडों के सीटू माप के माध्यम से लिथियम-आयन कोशिकाओं में थर्मल भगोड़ा और आग को चिह्नित करने के लिए विकसित एक परीक्षण प्रक्रिया का वर्णन करते हैं।

Abstract

लिथियम-आयन बैटरी (एलआईबी) कोशिकाओं के दौरान और बाद में थर्मल रनवे के दौरान गैस रचनाओं और आग विशेषताओं पर समय-हल किए गए डेटा एकत्र करने के लिए एक प्रयोगात्मक उपकरण और एक मानक संचालन प्रक्रिया (एसओपी) विकसित की जाती है। 18650 बेलनाकार सेल को प्रत्येक प्रयोग से पहले वांछित स्थिति (एसओसी; 30%, 50%, 75%, और 100%) के लिए वातानुकूलित किया जाता है। वातानुकूलित सेल को एक पर्यावरण कक्ष (मात्रा: ~ 600 एल) में निरंतर हीटिंग दर (10 डिग्री सेल्सियस / मिनट) पर विद्युत हीटिंग टेप द्वारा थर्मल रनवे में मजबूर किया जाता है। कक्ष वास्तविक समय एकाग्रता माप के लिए फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एफटीआईआर) गैस विश्लेषक से जुड़ा हुआ है। दो कैमकोर्डर का उपयोग प्रमुख घटनाओं को रिकॉर्ड करने के लिए किया जाता है, जैसे कि सेल वेंटिंग, थर्मल भगोड़ा और बाद में जलने की प्रक्रिया। सेल की स्थितियां, जैसे सतह का तापमान, द्रव्यमान हानि और वोल्टेज, भी दर्ज किए जाते हैं। प्राप्त आंकड़ों के साथ, सेल स्यूडो-गुण, वेंटिंग गैस रचनाएं, और वेंटिंग मास रेट को सेल तापमान और सेल एसओसी के कार्यों के रूप में माना जा सकता है। जबकि परीक्षण प्रक्रिया एक एकल बेलनाकार सेल के लिए विकसित की गई है, इसे विभिन्न सेल प्रारूपों का परीक्षण करने और कई कोशिकाओं के बीच अग्नि प्रसार का अध्ययन करने के लिए आसानी से बढ़ाया जा सकता है। एकत्र किए गए प्रयोगात्मक डेटा का उपयोग एलआईबी आग के लिए संख्यात्मक मॉडल के विकास के लिए भी किया जा सकता है।

Introduction

पिछले कुछ दशकों में, लिथियम-आयन बैटरी (एलआईबी) ने लोकप्रियता हासिल की है और जबरदस्त तकनीकी प्रगति से लाभान्वित हुए हैं। विभिन्न फायदों (जैसे, उच्च ऊर्जा घनत्व, कम रखरखाव, कम आत्म-निर्वहन और चार्ज समय, और लंबे जीवनकाल) के कारण, एलआईबी को एक आशाजनक ऊर्जा भंडारण तकनीक माना जाता है और बड़े पैमाने पर विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, जैसे कि बड़ी ऊर्जा भंडारण प्रणाली (ईएसएस), इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी), और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण। जबकि एलआईबी कोशिकाओं की वैश्विक मांग 2020 में 725 जीडब्ल्यूएच से 2030 1 में 1,500 जीडब्ल्यूएच तक दोगुनी होने की उम्मीद है, हालके वर्षों में एलआईबी से संबंधित आग और विस्फोटों में काफी वृद्धि हुई है। ये दुर्घटनाएं एलआईबी से जुड़े उच्च जोखिमों को प्रदर्शित करती हैं, जिससे उनके बड़े पैमाने पर उपयोग के बारे में चिंताएं बढ़ जाती हैं। इन चिंताओं को कम करने के लिए, आग लगने की वजह से एलआईबी थर्मल रनवे की प्रक्रिया की पूरी तरह से समझ हासिल करना महत्वपूर्ण है।

पिछली दुर्घटनाओं से पता चला है कि एलआईबी कोशिकाएं विफल हो जाती हैं जब सेल इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री असामान्य परिचालन परिस्थितियों (जैसे बाहरी शॉर्ट सर्किट, तेजी से निर्वहन, ओवरचार्जिंग और शारीरिक क्षति) में ओवरहीटिंग से बाधित होती है या विनिर्माण दोष और खराब डिजाइन 2,3,4 के कारण होती है। ये घटनाएं ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (एसईआई) के अपघटन का कारण बनती हैं, इलेक्ट्रोड सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच अत्यधिक एक्सोथर्मिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्तेजित करती हैं। जब इन प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न गर्मी विघटित होने से अधिक हो जाती है, तो इसके परिणामस्वरूप कोशिकाओं का तेजी से स्व-ताप होता है, जिसे थर्मल भगोड़ा भी कहा जाता है। आंतरिक तापमान और दबाव तब तक बढ़ सकता है जब तक कि अंतर्निहित दबाव बैटरी को टूटने और उच्च गति से ज्वलनशील, जहरीली गैसों को छोड़ने का कारण नहीं बनता है। एक मल्टी-सेल बैटरी कॉन्फ़िगरेशन में, एक एकल सेल में एक थर्मल भगोड़ा, यदि नियंत्रित नहीं किया जाता है, तो अन्य कोशिकाओं में थर्मल भगोड़ा प्रसार और विनाशकारी स्तरों पर आग और विस्फोट की घटनाएं हो सकती हैं, खासकर सीमित वेंटिलेशन वाले संलग्न स्थानों में। यह मानव सुरक्षा और संरचनाओं के लिए महत्वपूर्ण खतरा पैदा करता है।

पिछले कुछ दशकों में, एलआईबी की थर्मल भगोड़ा प्रतिक्रियाओं की जांच करने के लिए कई अध्ययन किए गए हैं, जिससे बैटरी के अंदर कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स का दहन होता है और विभिन्न हीटिंगस्थितियों 2,5,6,7,8,9,10,11,12 के तहत ज्वलनशील गैसों की रिहाई होती है। उदाहरण के लिए, झू एट अल.10 ने एडियाबेटिक कैलोरीमीटर का उपयोग करके बिना चार्ज किए गए लोगों की तुलना में चार्ज बेलनाकार एलआईबी की खतरनाक प्रकृति का प्रदर्शन किया। कई अन्य अध्ययनों ने विभिन्न राज्य-प्रभारों (एसओसी) पर एलआईबी के थर्मल भगोड़ा व्यवहार पर ध्यान केंद्रित किया। उदाहरण के लिए, जोशी एट अल.13 ने विभिन्न एसओसी पर विभिन्न प्रकार के वाणिज्यिक एलआईबी (बेलनाकार और थैली) के थर्मल रनवे की जांच की। यह देखा गया कि उच्च एसओसी पर कोशिकाओं में कम एसओसी की तुलना में थर्मल रनवे से गुजरने की अधिक संभावना थी। इसके अलावा, थर्मल रनवे के लिए न्यूनतम एसओसी सेल प्रारूपों और रसायनज्ञों के साथ भिन्न होता है। रोथ एट अल.11 ने एक त्वरित दर कैलोरीमीटर (एआरसी) में बेलनाकार एलआईबी का परीक्षण किया और देखा कि, जैसे-जैसे एसओसी में वृद्धि हुई, थर्मल रनवे का शुरुआती तापमान कम हो गया और त्वरण दर में वृद्धि हुई। गोलबकोव एट अल .12 ने एक कस्टम-डिज़ाइन किया गया परीक्षण स्टैंड विकसित किया और दिखाया कि बेलनाकार एलआईबी की अधिकतम सतह का तापमान 850 डिग्री सेल्सियस जितना अधिक हो सकता है। रिबिएर एट अल.14 ने थैली एलआईबी के आग से प्रेरित खतरों की जांच करने के लिए एक अग्नि प्रसार उपकरण का उपयोग किया और देखा कि सेल एसओसी के साथ गर्मी रिलीज दर (एचआरआर) और विषाक्त गैस उत्पादन में काफी भिन्नता है। चेन एट अल.15 ने विभिन्न एसओसी में दो अलग-अलग 18650 एलआईबी (LiCoO 2 और LiFePO4) के अग्नि व्यवहार का अध्ययन किया। सीटू कैलोरीमीटर में कस्टम-निर्मित का उपयोग करना। एसओसी के साथ एचआरआर, द्रव्यमान हानि और अधिकतम सतह के तापमान में वृद्धि पाई गई। यह भी प्रदर्शित किया गया था कि लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO2) कैथोड 18650 सेल की तुलना में पूरी तरह से चार्ज लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2) कैथोड 18650 सेल के लिए विस्फोट का जोखिम अधिक था। फू एट अल.16 और क्वांग एट अल.17 ने शंकु कैलोरीमीटर का उपयोग करके एलआईबी (0% -100% एसओसी पर) पर अग्नि प्रयोग किए। यह देखा गया कि उच्च एसओसी पर एलआईबी के परिणामस्वरूप इग्निशन और विस्फोट के लिए कम समय, उच्च एचआरआर, उच्च सतह तापमान और उच्च सीओ और सीओ2 उत्सर्जन के कारण उच्च आग के खतरे होते हैं।

संक्षेप में, विभिन्न कैलोरीमीटर18,19 (एआरसी, एडियाबेटिक कैलोरीमेट्री, सी 80 कैलोरीमेट्री, और संशोधित बम कैलोरीमेट्री) का उपयोग करने वाले पिछले अध्ययनों ने एलआईबी थर्मल भगोड़ा और आग (जैसे, एचआरआर, वेंट गैसों की रचनाएं ) और एसओसी, बैटरी रसायन विज्ञान और घटना गर्मी प्रवाह 2,3 पर उनकी निर्भरता से जुड़े विद्युत रासायनिक और थर्मल प्रक्रियाओं पर प्रचुर मात्रा में डेटा प्रदान किया है। 7,20. हालांकि, इनमें से अधिकांश विधियां मूल रूप से पारंपरिक ठोस दहनशील (जैसे, सेल्यूलोज नमूने, प्लास्टिक) के लिए डिज़ाइन की गई थीं और एलआईबी आग पर लागू होने पर सीमित जानकारी प्रदान करती हैं। जबकि कुछ पिछले परीक्षणों ने एचआरआर और रासायनिक प्रतिक्रियाओं से उत्पन्न कुल ऊर्जा को मापा, पोस्ट-थर्मल भगोड़ा आग के कैनेटीक्स पहलुओं को पूरी तरह से संबोधित नहीं किया गया था।

थर्मल भगोड़ा के दौरान खतरों की गंभीरता मुख्य रूपसे जारी गैसों की प्रकृति और संरचना पर निर्भर करती है। इसलिए, जारी गैसों, वेंटिंग दर और एसओसी पर उनकी निर्भरता को चिह्नित करना महत्वपूर्ण है। कुछ पिछले अध्ययनों ने एक निष्क्रिय वातावरण (जैसे, नाइट्रोजन या आर्गन में) 12,21,22 में एलआईबी थर्मल भगोड़ा की वेंट गैस रचनाओं को मापा; थर्मल रनवे के दौरान आग घटक को बाहर रखा गया था। इसके अलावा, ये माप ज्यादातर प्रयोगों के बाद किए गए थे (सीटू के बजाय)। थर्मल रनवे के दौरान और बाद में वेंट गैस संरचना के विकास, विशेष रूप से आग और जहरीली गैसों से जुड़े, कम खोजे गए।

यह ज्ञात है कि थर्मल रनवे बैटरी के इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को बाधित करता है और सेल वोल्टेज और तापमान को प्रभावित करता है। एलआईबी की थर्मल भगोड़ा प्रक्रिया को चिह्नित करने के लिए एक व्यापक परीक्षण, इसलिए, तापमान, द्रव्यमान, वोल्टेज और वेंट गैसों (दर और संरचना) का एक साथ माप प्रदान करना चाहिए। यह पिछले अध्ययनों में एक भी सेटअप में हासिल नहीं किया गया है। इस अध्ययन में, एलआईबीकोशिकाओं के थर्मल भगोड़ा के दौरान और बाद में सेल की जानकारी, गैस रचनाओं और आग विशेषताओं पर समय-हल किए गए डेटा एकत्र करने के लिए एक नया उपकरण और परीक्षण प्रोटोकॉल विकसित किया गया है। परीक्षण उपकरण चित्रा 1 ए में दिखाया गया है। थर्मल भगोड़ा घटना को सीमित करने के लिए एक बड़े (~ 600 एल) पर्यावरण कक्ष का उपयोग किया जाता है। कक्ष में दबाव वृद्धि को रोकने के लिए कक्ष एक दबाव राहत वाल्व (0.5 पीएसआईजी पर एक सेट गेज दबाव के साथ) से लैस है। एक फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एफटीआईआर) गैस विश्लेषक पूरे परीक्षण के दौरान सीटू गैस नमूने के लिए कक्ष से जुड़ा होता है। यह 21 गैस प्रजातियों (एच 2 ओ, सीओ 2, सीओ, एनओ, एनओ 2, एन2ओ, एसओ 2, एचसीएल, एचसीएन, एचबीआर, एचएफ, एनएच 3, सी 2 एच 4, सी 2 एच6, सी 3 एच8, सी 6 एच14, सीएच 4, एचसीएचओ, सी 6 एच6ओ,सी3एच 4ओ, और सीओएफ 2) का पता लगाता है। एफटीआईआर नमूना दर 0.25 हर्ट्ज है। इसके अलावा, एच2 एकाग्रता को रिकॉर्ड करने के लिए एफटीआईआर नमूना बंदरगाह के पास कक्ष के अंदर एक स्टैंडअलोन हाइड्रोजन सेंसर स्थापित किया गया है। चैंबर निकास लाइन में दो पंप (एक 1.3 सीएफएम रासायनिक प्रतिरोधी डायाफ्राम पंप और 0.5 एचपी वैक्यूम पंप) स्थापित किए गए हैं। प्रत्येक प्रयोग के बाद, चैंबर गैस को सीधे भवन निकास लाइन में फ़िल्टर और पंप करने के लिए एक कक्ष सफाई प्रक्रिया का पालन किया जाता है।

प्रत्येक प्रयोग में, सेल को एक नमूना धारक (चित्रा 1 बी) में कक्ष के अंदर स्थापित किया जाता है। थर्मल रनवे को 10 डिग्री सेल्सियस / मिनट की निरंतर हीटिंग दर पर आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न (पीआईडी) -नियंत्रित इलेक्ट्रिक हीटिंग टेप द्वारा ट्रिगर किया जाता है। सेल की सतह का तापमान थर्मोकपल द्वारा सेल की लंबाई के साथ तीन अलग-अलग स्थानों में दर्ज किया जाता है। सेल के द्रव्यमान हानि को द्रव्यमान संतुलन द्वारा मापा जाता है। चैंबर दबाव की निगरानी एक दबाव ट्रांसड्यूसर द्वारा की जाती है। हीटिंग टेप के लिए सेल वोल्टेज और पावर इनपुट (वोल्टेज और करंट) भी दर्ज किए जाते हैं। सभी सेंसर रीडिंग (थर्मोकपल, मास लॉस, सेल वोल्टेज, हीटिंग टेप करंट और वोल्टेज) को 2 हर्ट्ज की दर से कस्टम डेटा अधिग्रहण प्रोग्राम द्वारा एकत्र किया जाता है। अंत में, दो कैमकोर्डर (1920 पिक्सेल x 1080 पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन) का उपयोग प्रयोगों की पूरी प्रक्रिया को दो अलग-अलग कोणों से रिकॉर्ड करने के लिए किया जाता है।

इस नई परीक्षण विधि को विकसित करने का उद्देश्य दो गुना है: 1) एलआईबी थर्मल भगोड़ा से जुड़े धुएं और आग के व्यवहार को चिह्नित करने के लिए और 2) समय-हल किए गए प्रयोगात्मक डेटा प्रदान करने के लिए जो बैटरी की आग के लिए उच्च-वैधता संख्यात्मक मॉडल के विकास को सक्षम बनाता है। दीर्घकालिक लक्ष्य इस बात की समझ को आगे बढ़ाना है कि बैटरी पैक में कोशिकाओं के बीच थर्मल रनवे कैसे फैलता है और एकल कोशिकाओं से मल्टी-सेल बैटरी में जाने पर बैटरी की आग कैसे बढ़ती है। अंततः, यह एलआईबी को सुरक्षित रूप से संग्रहीत और परिवहन के लिए दिशानिर्देशों और प्रोटोकॉल को बेहतर बनाने में मदद करेगा।

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Protocol

1. एफटीआईआर गैस विश्लेषक का स्टार्टअप

नोट: एफटीआईआर गैस विश्लेषक के विभिन्न ब्रांडों और मॉडलों के लिए प्रक्रियाएं अलग-अलग हो सकती हैं। निम्नलिखित प्रक्रिया इस काम में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट गैस विश्लेषक के लिए है।

  1. वाल्व इकाई में एक नया फ़िल्टर या एक साफ फ़िल्टर (यानी, जिसे अल्ट्रासोनिक स्नान में साफ किया गया है) स्थापित करें ( चित्र 1 और चित्रा 2 देखें)।
  2. गैस विश्लेषक से जुड़े नाइट्रोजन सिलेंडर के वाल्व को खोलें ( चित्र 2 देखें)। नाइट्रोजन प्रवाह दर को 150-250 सीसी / मिनट तक समायोजित करें।
    नोट: यह गैस विश्लेषक के पूर्व / पोस्ट-परीक्षण सफाई के दौरान एन2 शुद्धिकरण के लिए तैयार करना है।
  3. निर्माता मैनुअल, "एफटीटी स्मोक डेंसिटी चैंबर मानक संचालन प्रक्रिया के लिए एफटीआईआर और पीएएस प्रो" 24, संस्करण 3.1 में वर्णित एफटीआईआर स्टार्टअप प्रक्रिया का पालन करें।
    नोट: जबकि एफटीआईआर चल रहा है, एफटीआईआर और चैंबर के बीच गैस लाइन ( चित्रा 2 देखें) को गैस संघनन को रोकने के लिए 180 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा जाता है। सावधान रहें कि गर्म लाइन और फिल्टर / वाल्व इकाई को न छुएं।

2. सेल की तैयारी

  1. प्रयोग लॉग शीट पर दिनांक, समय, SOC, परीक्षण प्रतिभागियों, परीक्षण संख्या, सेल निर्माता, सेल प्रारूप और सेल मॉडल संख्या रिकॉर्ड करें।
  2. प्रयोग लॉग शीट पर सेल के प्रारंभिक वोल्टेज और द्रव्यमान (0.01 ग्राम की सटीकता के साथ) को मापें और रिकॉर्ड करें।
  3. सेल के केंद्र में हीटिंग टेप (1 में x 2 इंच, 20 W /in 2) संलग्न करें और हीटिंग टेप के साथ सेल की एक तस्वीर लें। सुनिश्चित करें कि हीटिंग टेप तार सेल के नकारात्मक पक्ष की ओर इशारा करते हैं ( चित्रा 3 देखें)।
  4. उच्च तापमान प्रतिरोधी टेप का उपयोग करके सेल की सतह पर तीन थर्मोकपल (0.02 इंच के जांच व्यास, 12 इंच की लंबाई के साथ के-प्रकार) संलग्न करें, एक सकारात्मक टर्मिनल के पास, एक बीच में, और एक सेल के नकारात्मक टर्मिनल के पास नीचे, सभी हीटिंग टेप के किनारे से 5 मिमी दूर स्थित हैं ( चित्रा 3 ए देखें)। पीआईडी के माध्यम से हीटिंग दर को नियंत्रित करने के लिए सकारात्मक टर्मिनल के पास थर्मोकपल का उपयोग करें। थर्मोकपल स्थापित करने के बाद, हीटिंग टेप से दूरी की पुष्टि करने के लिए एक शासक के साथ सेल की एक तस्वीर लें।
  5. सेल वोल्टेज माप के लिए सेल के सकारात्मक और नकारात्मक टर्मिनलों को स्पॉट वेल्ड निकल टैब (मोटाई में 0.1 मिमी, चौड़ाई में 5 मिमी और लंबाई में 100 मिमी)। सुनिश्चित करें कि निकल टैब अलग-अलग दिशाओं में उन्मुख हैं ताकि उन्हें एक-दूसरे को छूने से रोका जा सके, जिसके परिणामस्वरूप बाहरी शॉर्ट सर्किट (चित्रा 3 बी) होता है।
  6. सेल धारक पर सेल लोड करें, जैसा कि चित्रा 3 सी में दिखाया गया है।
  7. पुष्टि करें कि वोल्टेज माप और थर्मोकपल के सभी तारों को सेल के सकारात्मक टर्मिनल पर वेंट पोर्ट से बचने के लिए सेल के नकारात्मक टर्मिनल की ओर रूट किया जाता है।

3. परीक्षण कक्ष सेटअप

  1. कक्ष में प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) प्रकाश चालू करें।
  2. कक्ष में द्रव्यमान संतुलन पर सेल और सेल धारक रखें ( चित्रा 4 देखें)। थर्मोकपल कनेक्टर, हीटिंग टेप और निकल टैब को चैंबर-फीडथ्रू प्लग और तारों से कनेक्ट करें।
  3. द्रव्यमान संतुलन चालू करें। संतुलन बनाए रखें।
  4. हाइड्रोजन सेंसर के लिए बिजली की आपूर्ति चालू करें।
  5. हीटिंग टेप के लिए पीआईडी नियंत्रक चालू करें। हीटिंग प्रोफ़ाइल सेट करें (तापमान: 200 डिग्री सेल्सियस; रैंप समय: 17 मिनट)। पीआईडी नियंत्रक, डेटा अधिग्रहण और मास बैलेंस के लिए केबल को लैपटॉप से कनेक्ट करें और लैपटॉप पर डेटा अधिग्रहण कार्यक्रम शुरू करें।
  6. सुनिश्चित करें कि डेटा अधिग्रहण कार्यक्रम में दिखाए गए सभी सेंसर रीडिंग उचित हैं: चरण 2.2 में मापा गया मान के करीब सेल वोल्टेज, शून्य के करीब हीटिंग टेप में वोल्टेज और वर्तमान इनपुट (क्योंकि बिजली अभी तक चालू नहीं है), थर्मोकपल रीडिंग कमरे के तापमान (~ 25 डिग्री सेल्सियस), कक्ष दबाव ~ 1 एटीएम, और मास रीडिंग ~ 0 जी। माप की जांच करने के बाद, डेटा अधिग्रहण प्रोग्राम बंद करें।
  7. फ्रंट- और साइड-व्यू कैमकॉर्डर सेटिंग्स समायोजित करें: मैनुअल व्हाइट बैलेंस (शुरू में एक सफेद पेपर का उपयोग करके कैलिब्रेटेड), मैनुअल फोकस (सकारात्मक टर्मिनल के पास सेल की सतह पर तय), ऑटो एक्सपोजर, ऑटो आईआरआईएस, और ऑटो शटर गति। सुनिश्चित करें कि कैमकॉर्डर बैटरी भरी हुई है।
  8. कक्ष के बाहर एक तिपाई पर फ्रंट-व्यू कैमकॉर्डर रखें ( चित्रा 4 देखें)। साइड-व्यू कैमकॉर्डर पर रिकॉर्डिंग शुरू करें और इसे कक्ष में एक सुरक्षा बॉक्स के अंदर रखें। साइड-व्यू कैमकॉर्डर कोण और दृश्य की जांच करें। सुरक्षा बॉक्स लॉक करें.
  9. दोबारा जांचें कि क्या कक्ष के अंदर कोई खतरनाक या अनावश्यक सामान है और क्या ऊपर सूचीबद्ध कोई कदम छोड़ दिया गया है।
  10. कक्ष को बंद करें और सुनिश्चित करें कि कवर प्लेटों पर सभी पेंच कसकर बंधे हुए हैं (उदाहरण के लिए, एक प्रभाव रिंच का उपयोग करके)।
  11. रिसाव जांच करने के लिए वैक्यूम या डायाफ्राम पंप का उपयोग करें। दोबारा जांचें कि सभी वाल्व, कवर प्लेट और अवलोकन खिड़कियां सुरक्षित रूप से बंधी हुई हैं।
    नोट: यदि दबाव धीरे-धीरे कम हो जाता है या गिरता नहीं है, तो कहीं न कहीं रिसाव होता है।
  12. परिवेशी हवा से कक्ष में एफटीआईआर सेवन को बदलें।
  13. एफटीआईआर रिटर्न लाइन को कक्ष से कनेक्ट करें ( चित्रा 2 देखें)।

4. थर्मल रनवे और आग प्रयोग

  1. पीआईडी नियंत्रक को रैंप-सोख मोड पर सेट करें।
  2. कमरे में लाइट और चैंबर में एलईडी लाइट बंद कर दें।
  3. फ्रंट-व्यू कैमकॉर्डर रिकॉर्डिंग प्रारंभ करें। प्रयोगों के बाद सभी एकत्रित डेटा (सेंसर डेटा, एफटीआईआर रीडिंग और वीडियो) के समय सिंक्रनाइज़ेशन के लिए चरण 4.4 और 4.5 में क्रियाओं को रिकॉर्ड करने के लिए कैमरे का उपयोग करें।
  4. लैपटॉप पर डेटा अधिग्रहण प्रोग्राम में डेटा रिकॉर्डिंग शुरू करें।
  5. डेटा अधिग्रहण प्रोग्राम टाइमर पर 10 सेकंड पर पीआईडी रैंप-सोक मोड शुरू करें। कक्ष एलईडी लाइट चालू करें। FTIR रिकॉर्डिंग प्रारंभ करें।
  6. ट्राइपॉड पर फ्रंट-व्यू कैमकॉर्डर रखें और प्रयोग को रिकॉर्ड करना जारी रखें।
  7. एक अलग कमरे में जाएं और रिमोट-नियंत्रित डेस्कटॉप प्रोग्राम के माध्यम से लैपटॉप पर डेटा अधिग्रहण पैनल की निगरानी जारी रखें। ध्यान दें कि यह कदम अतिरिक्त सावधानी के लिए उठाया गया है और इसकी आवश्यकता नहीं है। चूंकि प्रयोग पूरी तरह से पर्यावरण कक्ष में सीमित हैं, इसलिए आसपास के कर्मियों के लिए जोखिम न्यूनतम है।
  8. यदि कक्ष के एक ही कमरे में मौजूद हैं, तो पूरी परीक्षण अवधि (जैसे, दस्ताने, पी 100 श्वासयंत्र, सुरक्षा चश्मे और अग्नि प्रतिरोधी लैब कोट) के दौरान उचित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) पहनें।

5. प्रयोग की समाप्ति

  1. जब थर्मल रनवे होता है (यानी, थर्मोकपल रीडिंग अचानक स्पाइक्स दिखाती है) या पीआईडी नियंत्रक ने 60 मिनट के लिए सेल तापमान को 200 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा है (जो भी पहले होता है), हीटिंग टेप की बिजली बंद करें और पीआईडी नियंत्रक को स्टैंडबाय मोड में सेट करें।
  2. कमरे के तापमान (<50 डिग्री सेल्सियस) तक गिरने के लिए सभी थर्मोकपल रीडिंग की प्रतीक्षा करें। ध्यान दें कि एकल सेल के लिए शीतलन प्रक्रिया में लगभग 30 मिनट लग सकते हैं।
  3. लैपटॉप, एफटीआईआर माप, और वीडियो रिकॉर्डिंग पर डेटा अधिग्रहण कार्यक्रम को रोकें।

6. एफटीआईआर गैस विश्लेषक बंद करें

  1. निर्माता मैनुअल, "एफटीटी स्मोक डेंसिटी चैंबर मानक संचालन प्रक्रिया के लिए एफटीआईआर और पीएएस प्रो", संस्करण 3.1 में प्रलेखित एफटीआईआर टर्न-ऑफ प्रक्रिया का पालन करें।
  2. ट्यूब और विश्लेषक को ~ 15 मिनट के लिए साफ करने के लिए नाइट्रोजन के साथ एफटीआईआर गैस विश्लेषक को शुद्ध करें। सुनिश्चित करें कि एफटीआईआर गैस विश्लेषक के लिए एन2 की प्रवाह दर 150-250 सीसी /
  3. गैस विश्लेषक को शुद्ध करते समय, एफटीआईआर परिणामों को यूएसबी मेमोरी स्टिक में स्थानांतरित करें।
  4. शुद्ध करने के बाद, गैस विश्लेषक बंद कर दें।
  5. उचित पीपीई पहनें, जिसमें हीट-इन्सुलेटिंग दस्ताने की एक जोड़ी शामिल है, और फ़िल्टर को गर्म फिल्टर / वाल्व यूनिट में हटा दें। बेहद सावधान रहें, क्योंकि फ़िल्टर / वाल्व इकाई बहुत गर्म हो सकती है।
  6. हटाए गए फिल्टर को सफाई समाधान के अल्ट्रासोनिक स्नान के साथ साफ करें।

7. चैंबर क्लीन-अप और डेटा संग्रह

  1. चैंबर-क्लीनअप वैक्यूमिंग प्रक्रिया से पहले, जांचें कि क्या एफटीआईआर सैंपलिंग (सेवन) लाइन (जो कक्ष से जुड़ी है) बंद है या परिवेशी हवा के लिए खुली है। इस अध्ययन में प्रस्तुत गैस विश्लेषक मॉडल के लिए, पीएएस प्रो सॉफ्टवेयर पर एम्बिएंट एयर का चयन करें या एफटीआईआर को पूरी तरह से बंद कर दें। ऐसा करने में विफलता एफटीआईआर को नुकसान पहुंचाती है।
  2. सुनिश्चित करें कि एक कार्बन फिल्टर रासायनिक प्रतिरोधी डायाफ्राम पंप ( चित्रा 2 में पंप 1) और कक्ष के बीच स्थापित है। फ़िल्टर पर उपयोग ों की संख्या चिह्नित करें और इसे हर ~ 10-15 परीक्षणों में एक नए के साथ बदलें।
  3. रासायनिक प्रतिरोधी डायाफ्राम पंप का उपयोग करके कक्ष को आंशिक रूप से वैक्यूम करने के लिए तैयार करने के लिए वाल्व 1 खोलें।
  4. डायाफ्राम पंप को तब तक चलाएं जब तक कि कक्ष का दबाव पी1 = 9.7 पीएसआईए (यानी, -5 गेज दबाव) तक गिर न जाए।
  5. डायाफ्राम पंप बंद करें और वाल्व 1 बंद करें।
  6. परिवेशी हवा के साथ कक्ष को भरने के लिए वाल्व 3 खोलें ( चित्रा 4 देखें)।
  7. वाल्व 3 को बंद करें जब कक्ष दबाव परिवेश के दबाव, पी ∞ पर ठीक हो जाता है।
  8. आंशिक वैक्यूमिंग प्रक्रिया (चरण 7.3-7.7) को पांच बार दोहराएं। इसके माध्यम से, कक्ष में निकास गैस प्रतिशत (पी 1/पी∞)5 = 12.5% तक गिर जाना चाहिए।
  9. वैक्यूम पंप (चित्रा 2 में पंप 2) का उपयोग करके कक्ष को पूरी तरह से वैक्यूम करने के लिए तैयार करने के लिए वाल्व 2 खोलें।
  10. वैक्यूम पंप को तब तक चलाएं जब तक कि कक्ष का दबाव पी2 = 4.7 पीएसआईए (या -10 पीएसआईए गेज दबाव) तक गिर न जाए।
  11. पंप बंद करें और वाल्व 2 बंद करें।
  12. कक्ष को परिवेशी हवा से भरने के लिए वाल्व 3 खोलें जब तक कि कक्ष का दबाव परिवेश के दबाव, पी ∞ तक ठीक न हो जाए।
  13. पूर्ण वैक्यूमिंग प्रक्रिया (चरण 7.9-7.12) को दो बार दोहराएं।
    नोट: आंशिक और पूर्ण वैक्यूमिंग प्रक्रियाओं के बाद, कक्ष में निकास गैस प्रतिशत 1.3% से कम होना चाहिए।
  14. कक्ष खोलें और कैमकॉर्डर और सेल को पुनः प्राप्त करें।
  15. द्रव्यमान संतुलन बंद करें।
  16. कक्ष के इंटीरियर को साफ करने के लिए एक गीले पेपर तौलिया का उपयोग करें (उदाहरण के लिए, सभी मलबे को हटा दें और कक्ष की आंतरिक दीवारों को पोंछ दें)।
  17. सेल धारक से सेल को हटाने से पहले, दौरान और बाद में तस्वीरें लें।
  18. सेल का वजन करें और सेल के पोस्ट-टेस्ट द्रव्यमान को रिकॉर्ड करें।
  19. लैपटॉप से सभी रिकॉर्ड किए गए डेटा (थर्मोकपल रीडिंग, सेल वोल्टेज, हीटिंग टेप वोल्टेज, वर्तमान, कक्ष दबाव और सेल द्रव्यमान माप) और दो कैमकॉर्डर से वीडियो रिकॉर्डिंग प्राप्त करें।
  20. एक वीडियो संपादन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एकत्र किए गए वीडियो को संयोजित करें। प्रमुख घटनाओं की शुरुआत के समय को रिकॉर्ड करें, जैसे कि सेल वेंटिंग, थर्मल भगोड़ा और आग। संयुक्त वीडियो को वांछित प्रारूप (जैसे, एमपी 4 या एवीआई) में सहेजें।
  21. एकत्र किए गए डेटा को संसाधित करने के बाद और सभी मापों के समय विकास की कल्पना करने के लिए प्लॉट उत्पन्न करते हैं।

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Representative Results

आग के साथ और बिना विशिष्ट थर्मल भगोड़ा प्रक्रियाओं का प्रतिनिधित्व करने वाले वीडियो क्रमशः पूरक फ़ाइल 1 और पूरक फ़ाइल 2 में शामिल हैं। मुख्य घटनाओं को चित्र 5 में दर्शाया गया है। जैसे ही सेल का तापमान बढ़ाया जाता है (~ 110-130 डिग्री सेल्सियस तक), सेल सूजन शुरू कर देता है, जो आंतरिक दबाव के निर्माण का संकेत देता है (इलेक्ट्रोलाइट्स के वाष्पीकरण और सेल2 के अंदर गैसों के थर्मल विस्तार के कारण)। इसके बाद वेंटिंग पोर्ट का उद्घाटन और वेंट गैस की रिहाई होती है (आंकड़े 5 ए और 5 बी, क्रमशः)। धीरे-धीरे वेंटिंग प्रक्रिया कुछ मिनटों के लिए जारी रहती है। उसके बाद, सेल तेजी से बाहर निकलना शुरू कर देता है (चित्रा 5 सी), और एक थर्मल रनवे होता है (चित्रा 5 डी)। ये एसओसी की परवाह किए बिना होते हैं। उच्च एसओसी (जैसे, 75% और 100%) पर, चिंगारियां (चित्रा 5 डी), आग (चित्रा 5 ई), और सेल सामग्री निष्कासन (चित्रा 5 एफ, जी में पोस्ट-टेस्ट चित्र देखें) भी थर्मल रनवे के दौरान और बाद में देखे जाते हैं। निचले एसओसी (जैसे, 30% और 50%) पर, भारी धुएं के साथ इलेक्ट्रोलाइट्स का विस्फोट चिंगारी या आग के बिना देखा जाता है। ध्यान दें कि, रुचि की घटनाओं के आधार पर, कैमरा / कैमकॉर्डर सेटिंग्स और पृष्ठभूमि एलईडी लाइट को सावधानीपूर्वक चुना जाना चाहिए। चित्रा 5 ए में, कैमकॉर्डर को वेंटिंग पोर्ट पर केंद्रित किया गया है, और चमकीले सफेद पृष्ठभूमि प्रकाश को वेंटिंग प्रक्रिया की शुरुआत में इलेक्ट्रोलाइट उबलते हुए घटना को पकड़ने के लिए चुना गया है। यदि रुचि गैसीय आग में है, तो ऑटो-समायोजित कैमकॉर्डर सेटिंग्स, एक मंद हरे रंग की एलईडी लाइट, और एक अंधेरे पृष्ठभूमि की सिफारिश की जाती है।

प्रतिनिधि माप चित्रा 6 में प्लॉट किए गए हैं, जिसमें प्रमुख घटनाओं को ऊर्ध्वाधर डैश लाइनों द्वारा चिह्नित किया गया है। ये भूखंड एक परीक्षण के लिए हैं जहां आग लगती है (75% एसओसी पर, पूरक फ़ाइल 1 में दिखाया गया है)। चित्रा 6 ए से पता चलता है कि सेल का तापमान शीर्ष (सकारात्मक टर्मिनल के पास) और नीचे (नकारात्मक टर्मिनल के पास) स्थानों की तुलना में मध्य-स्थान पर अधिक है। शीर्ष-स्थान थर्मोकपल (जो पीआईडी नियंत्रण के लिए उपयोग किया जाता है) की रीडिंग पुष्टि करती है कि सेल हीटिंग दर इच्छित मूल्य (यानी, ~ 10 डिग्री सेल्सियस / मिनट या 0.167 डिग्री सेल्सियस / सेकंड) पर है। ध्यान दें कि सेल वेंटिंग (इवेंट 3) की शुरुआत में तापमान रीडिंग क्षणिक गिरावट दिखाती है। यह वेंट के माध्यम से गैसों की रिहाई के कारण अचानक गर्मी के नुकसान के कारण होता है। जब थर्मल भगोड़ा होता है, तो सेल का तापमान अचानक बढ़ जाता है। थर्मल रनवे के बाद, विशेष रूप से उन मामलों के लिए जहां आग और सेल सामग्री निष्कासन होता है, थर्मोकपल सेल की सतह से अलग हो सकते हैं और इसलिए बैटरी की सतह के तापमान के बजाय गैस के तापमान को पढ़ सकते हैं। डेटा की व्याख्या करते समय विशेष सावधानी बरतने की आवश्यकता है। इसके अलावा, यह पुष्टि करने में विशेष ध्यान दिया जाना चाहिए कि परीक्षण के दौरान थर्मोकपल अलग नहीं होते हैं।

इसके अलावा, थर्मल रनवे होने से पहले सेल वोल्टेज शून्य (इवेंट 2) तक गिर जाता है ( चित्रा 6 ए में दिखाए गए प्रतिनिधि मामले में सेल के वेंट शुरू होने से कुछ मिनट पहले)। यह ज्ञात है कि ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेज़ (एसईआई) परत का अपघटन ~ 80-120 डिग्री सेल्सियस से शुरू होता है और विभाजक 135-166 डिग्री सेल्सियस2 पर पिघलना शुरू होता है। इन घटकों के टूटने से दो इलेक्ट्रोड के बीच एक आंतरिक शॉर्ट सर्किट (आईएससी) होता है, इलेक्ट्रोलाइट अपघटन के साथ, और फिर अंततः, एक एलआईबी सेल का थर्मल भगोड़ा। सेल वोल्टेज ड्रॉप एलआईबी विफलता घटना का पहला संकेत है। सेल के रसायन विज्ञान, प्रारूप और डिजाइन के आधार पर, प्रत्येक विफलता की घटना (जैसे, वोल्टेज ड्रॉप, वेंटिंग, थर्मल भगोड़ा) अलग-अलग समय पर और अलग-अलग सेल तापमान पर हो सकती है।

परीक्षण प्रक्रिया में प्राप्त द्रव्यमान हानि डेटा से द्रव्यमान हानि दर का अनुमान लगाया जा सकता है। द्रव्यमान हानि ( चित्रा 6 बी में दिखाया गया है) दो अलग-अलग गैस रिलीज अवधि को इंगित करता है, एक सेल वेंटिंग के दौरान और दूसरा थर्मल रनवे के दौरान। वेंटिंग अवधि के दौरान द्रव्यमान हानि सभी एसओसी पर समान (~ 3-4 ग्राम) है, जबकि थर्मल रनवे पर द्रव्यमान हानि एसओसी के साथ बढ़ जाती है। इसके अलावा, थर्मल रनवे पर बड़े पैमाने पर नुकसान न केवल वेंट गैस के लिए होता है, बल्कि उत्सर्जित सेल सामग्री और घटकों के लिए भी होता है जो जलते हैं।

प्रमुख हाइड्रोकार्बन और जहरीली गैस प्रजातियों की सांद्रता चित्र 6 सी-ई में दिखाई गई है। वेंटिंग अवधि और थर्मल रनवे के दौरान विभिन्न रचनाएं देखी जाती हैं। जैसे ही वेंट गैस आग विलुप्त होने के बाद कक्ष में फैलती है, प्रत्येक प्रजाति की एकाग्रता एक स्थिर मूल्य में परिवर्तित हो जाती है।

हीटिंग टेप (चित्रा 7 ए में दिखाया गया है) को आपूर्ति की गई रिकॉर्ड की गई धारा (आई) और वोल्टेज (वी) का उपयोग सेल को पावर इनपुट की गणना करने के लिए किया जा सकता है। क्यूमुलेटेड एनर्जी इनपुट और हीटिंग पावर की गणना निम्नानुसार की जाती है:

Equation 1 (1)

Equation 2 (2)

प्रतिनिधि परीक्षण में, संचयी ऊर्जा वक्र (समीकरण 1 में E; चित्रा 7B में ठोस काली रेखा) को दूसरे क्रम की बहुपद प्रतिगमन रेखा (चित्रा 7B में ठोस नीली रेखा) द्वारा फिट किया जा सकता है। इस प्रतिगमन रेखा का उपयोग करके, सेल के लिए पावर इनपुट (Eq. 2 में dE/dt) समय के साथ रैखिक रूप से बढ़ता पाया जाता है (चित्रा 7B में नीली डैश लाइन)।

Figure 1
चित्र 1: प्रायोगिक उपकरण और योजनाबद्धता । (ए) एलआईबी थर्मल भगोड़ा प्रयोगों के लिए प्रयोगात्मक उपकरण। (बी) कक्ष के अंदर सेटअप की योजनाबद्धता। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: उपकरण के लिए प्रवाह प्रणाली का योजनाबद्ध। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: 18650 सेल की तैयारी। (A) चरण 2.4. (बी) चरण 2.5। (सी) चरण 2.6। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: डेटा अधिग्रहण के साथ कक्ष के अंदर एलआईबी सेल की स्थापना। (ए) चरण 3.2। (बी) चरण 3.5। (C-E) चरण 3.8. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: एक विशिष्ट थर्मल रनवे प्रक्रिया के दौरान प्रमुख घटनाएं। (ए) वेंटिंग पोर्ट का खुलना और इलेक्ट्रोलाइट का उबलना। (बी) वेंट गैस की क्रमिक रिहाई। (सी) थर्मल रनवे से पहले वेंट गैस की तीव्र रिहाई। (डी) थर्मल रनवे की शुरुआत। (ई) आग। (F-G) परीक्षण के बाद निरीक्षण के दौरान देखी गई कोशिका सामग्री। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6: 75% एसओसी पर 18650 बेलनाकार सेल के लिए प्राप्त प्रतिनिधि डेटा। (बी) बड़े पैमाने पर हानि। (C-E) प्रमुख हाइड्रोकार्बन और जहरीली गैस प्रजातियों की सांद्रता। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्रा 7: हीटिंग टेप पावर इनपुट के लिए प्रतिनिधि डेटा। (ए) हीटिंग टेप को वोल्टेज और करंट की आपूर्ति की जाती है। (बी) हीटिंग टेप को आपूर्ति की गई ऊर्जा और शक्ति की गणना की। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 1: 75% एसओसी पर 18650 सेल की थर्मल रनवे प्रक्रिया का वीडियो। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पूरक फ़ाइल 2: 50% एसओसी पर 18650 सेल की थर्मल रनवे प्रक्रिया का वीडियो। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

प्रोटोकॉल में सबसे महत्वपूर्ण कदम एलआईबी थर्मल रनवे में जारी जहरीली गैसों से संबंधित हैं। चरण 3.11 में रिसाव परीक्षण को सावधानीपूर्वक किया जाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि प्रयोगों के दौरान विषाक्त गैसें कक्ष में सीमित हैं। जहरीली गैसों से खतरे को कम करने के लिए चैंबर गैस सफाई प्रक्रियाओं (चरण 7.1-7.14) को भी ठीक से किया जाना चाहिए। एलआईबी थर्मल रनवे के दौरान विषाक्त गैसें वेंट गैस का केवल एक छोटा सा अंश हो सकती हैं। हालांकि, कुछ जहरीली गैसों की बहुत कम सांद्रता भी मानव स्वास्थ्य के लिए एक बड़ा खतरा पैदा करती है। व्यावसायिक सुरक्षा और स्वास्थ्य प्रशासन (ओएसएचए) द्वारा लगाए गए एक्रोलिन और फॉर्मलाडेहाइड की व्यावसायिक 8 घंटे की जोखिम सीमा क्रमशः 0.1 और 0.75 पीपीएम है, जो 600 एल चैंबर का उपयोग करके मापा मूल्यों से काफी कम है ( चित्रा 6 ई देखें)। यह पूरे परीक्षण के दौरान एक सील कक्ष रखने और एक उपयुक्त मास्क पहनने के महत्व पर जोर देता है। यह आगे एलआईबी के लिए विषाक्त गैस रिलीज को चिह्नित करने के लिए एक परीक्षण विधि की आवश्यकता पर भी प्रकाश डालता है, जैसे कि यहां प्रस्तुत किया गया है।

अन्य महत्वपूर्ण कदम सेंसर माप, एफटीआईआर रीडिंग और कैमकॉर्डर वीडियो के बीच समय सिंक्रनाइज़ेशन से संबंधित हैं। प्रोटोकॉल चरण 4.3-4.5 में, वीडियो रिकॉर्डिंग और एलईडी लाइट की शुरुआत सभी डेटा को सिंक्रनाइज़ करने का एक साधन प्रदान करती है। जब तक वैकल्पिक सिंक्रनाइज़ेशन विधियों का उपयोग नहीं किया जाता है, इन चरणों का सावधानीपूर्वक पालन करने की आवश्यकता है। केवल सिंक्रनाइज़ किए गए डेटा के साथ वेंट गैस प्रजातियों और आग की विशेषताओं को सेल स्थितियों (जैसे, तापमान, द्रव्यमान हानि, वोल्टेज) और थर्मल रनवे की विभिन्न घटनाओं से सहसंबद्ध किया जा सकता है।

प्रस्तुत परीक्षण विधि के लिए सीमाएँ मौजूद हैं। सबसे पहले, यह बाहरी थर्मल दुरुपयोग के कारण थर्मल भगोड़ा तक सीमित है। परिणाम अन्य बैटरी विफलता मोड (जैसे, यांत्रिक दुरुपयोग, आंतरिक शॉर्ट सर्किट) के कारण थर्मल भगोड़ा प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व नहीं कर सकते हैं। दूसरा, वेंट गैस द्रव्यमान रिलीज दर सीधे नहीं मापा जाता है। इसके बजाय, यह सेल के दर्ज द्रव्यमान हानि से अनुमान लगाया जाता है। थर्मल रनवे से पहले वेंटिंग प्रक्रिया के दौरान, सेल मास लॉस रेट को वेंट गैस की द्रव्यमान रिलीज दर के रूप में व्याख्या किया जा सकता है। हालांकि, थर्मल रनवे के दौरान, सेल मास लॉस न केवल वेंट गैस के लिए, बल्कि उत्सर्जित सेल सामग्री और घटकों के लिए भी जिम्मेदार है जो जलते हैं। इसके अलावा, यह परीक्षण विधि एलआईबी थर्मल रनवे के दौरान और बाद में कक्ष में दबाव वृद्धि को चिह्नित नहीं करती है। दूसरी ओर, चैंबर गेज दबाव सुरक्षा चिंताओं के लिए दबाव राहत वाल्व द्वारा सीमित है ( चित्रा 2 देखें)।

प्रस्तुत प्रयोगात्मक विधि एक ही परीक्षण में विभिन्न मापदंडों के सीटू माप के माध्यम से लिथियम-आयन बैटरी के थर्मल रनवे और आग को चिह्नित करने के लिए एक रूपरेखा प्रदान करती है। विस्तृत समय-हल डेटा संख्यात्मक मॉडल के विकास के लिए अनुभवजन्य पैरामीटर भी प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, सेल मास रीडिंग और एफटीआईआर गैस प्रजातियों की रीडिंग से निकाले गए वेंट गैस मास रिलीज दर को सीमा स्थितियों के रूप में कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता (सीएफडी) मॉडल में लागू किया जा सकता है। यह सेल के इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को अनुकरण करने की आवश्यकता को हटा देता है और कम धारणाएं बनाने की अनुमति देता है, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी की आग के लिए अधिक सामान्य, संख्यात्मक रूप से लागत प्रभावी और सटीक मॉडल होता है।

जबकि वर्तमान अध्ययन में केवल एक बेलनाकार सेल के लिए परीक्षण प्रक्रिया प्रस्तुत की गई है, इस प्रक्रिया को विभिन्न प्रारूपों (जैसे, थैली या प्रिज्मिक) की कोशिकाओं पर लागू किया जा सकता है और बैटरी में कई कोशिकाओं के बीच थर्मल भगोड़ा प्रसार का परीक्षण करने के लिए आसानी से बढ़ाया जा सकता है। इसके अलावा, यह ध्यान देने योग्य है कि थर्मल रनवे प्रक्रिया के दौरान प्राप्त गैस सांद्रता में न केवल वेंट गैस बल्कि बैटरी की आग के दौरान दहन उत्पाद भी शामिल हैं। यदि रुचि थर्मल भगोड़ा से पहले और दौरान उत्पन्न वेंट गैस पर है, तो एक निष्क्रिय कक्ष वातावरण (जैसे, आर्गन या नाइट्रोजन) पर विचार किया जाना चाहिए।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए हितों का कोई टकराव नहीं है।

Acknowledgments

यह अध्ययन यूएल अनुसंधान संस्थानों द्वारा समर्थित है। इस काम में सभी बैटरी कोशिकाओं को केस वेस्टर्न रिजर्व यूनिवर्सिटी (सीडब्ल्यूआरयू) में प्रोफेसर क्रिस युआन की प्रयोगशाला में वातानुकूलित और तैयार किया गया था। परीक्षण कक्ष नासा ग्लेन रिसर्च सेंटर से सीडब्ल्यूआरयू को ऋण पर है। हमें सीडब्ल्यूआरयू में एक पूर्व पीएचडी छात्र, डॉ युमी मात्सुयामा से एफटीआईआर गैस विश्लेषक पर जबरदस्त समर्थन मिला, और जेफ टकर, ब्रैंडन विक्स और एम्फेनॉल एडवांस्ड सेंसर से ब्रायन एंगल से एच2 सेंसर पर तकनीकी सहायता मिली। हम सीडब्ल्यूआरयू में पुष्कल कन्नन और बोयू वांग के समर्थन की ईमानदारी से सराहना करते हैं। हम यूएल सॉल्यूशंस से एलेक्जेंड्रा श्राइबर के साथ तकनीकी चर्चाओं को भी स्वीकार करना चाहते हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Balance A&D EJ-6100
Carbon filter Whatman WHA67041500
Current transducer NK Technologies AT1-010-000-FT
Front camera Sony FDR-AX53
FTIR gas analyzer Fire Testing Technology Protea atmosFIR AFS-A-15
Heating tape (1.00" x 2.00") Birk Manufacturing, Inc. BK3512-19.6-L24-03
High-temperature resistant tape Kapton
Hydrogen sensor Amphenol AX220135
K-type, thermocouple Omega KMQSS-020U-12
LabVIEW National Instruments
Matlab MathWorks
NI-9213 National Instruments NI-9213
NI-9219 National Instruments NI-9219
NI-cDAQ-9174 National Instruments NI-cDAQ-9174
NI-USB-6009 National Instruments NI-USB-6009
PID controller Omega CN8200
PILOT5000 Chemical Resistant Diaphragm Vacuum Pump The Lab Depot TLD5000
Pressure relief valve Straval RVL20-10T-N4675
Pressure Transmitter Keller 0308.01601.081303.02
Pure Nickel Strip (0.1x5x100mm 99.6% Nickel) U.S. Solid Product
Respirator McMaster 55865T52
Respirator Cartridge Honeywell  75Scp100L
Rotary vane vacuum pump (0.5 hp) Alcatel Pascal 2010
Side camera Sony HDR-CX110
Spot Welder SUNKKO 737G+
TeamViewer TeamViewer
Voltage transducer CR Magnetics Inc. CR4510-50

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References

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<em>सीटू में</em> एक पर्यावरण कक्ष का उपयोग करके थर्मल रनवे के दौरान लिथियम-आयन कोशिकाओं का गैस विश्लेषण और अग्नि लक्षण वर्णन
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