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Engineering

In situ Analyse des gaz et caractérisation au feu des cellules lithium-ion pendant l’emballement thermique à l’aide d’une chambre environnementale

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

Ici, nous décrivons une procédure d’essai développée pour caractériser l’emballement thermique et les incendies dans les cellules lithium-ion grâce à des mesures in situ de divers paramètres dans une chambre environnementale.

Abstract

Un appareil expérimental et une procédure opérationnelle normalisée (SOP) sont développés pour recueillir des données résolues dans le temps sur les compositions de gaz et les caractéristiques du feu pendant et après l’emballement thermique des cellules de batterie lithium-ion (LIB). Une cellule cylindrique 18650 est conditionnée à un état de charge souhaité (SOC; 30%, 50%, 75% et 100%) avant chaque expérience. La cellule conditionnée est forcée dans un emballement thermique par un ruban chauffant électrique à une vitesse de chauffage constante (10 °C/min) dans une chambre environnementale (volume : ~600 L). La chambre est connectée à un analyseur de gaz infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) pour des mesures de concentration en temps réel. Deux caméscopes sont utilisés pour enregistrer les événements majeurs, tels que la ventilation des cellules, l’emballement thermique et le processus de combustion ultérieur. Les conditions de la cellule, telles que la température de surface, la perte de masse et la tension, sont également enregistrées. Avec les données obtenues, les pseudo-propriétés cellulaires, les compositions de gaz d’évacuation et le débit de masse d’évacuation peuvent être déduits en fonction de la température de la cellule et du SOC cellulaire. Bien que la procédure d’essai soit développée pour une seule cellule cylindrique, elle peut être facilement étendue pour tester différents formats de cellules et étudier la propagation du feu entre plusieurs cellules. Les données expérimentales recueillies peuvent également être utilisées pour le développement de modèles numériques pour les incendies LIB.

Introduction

Au cours des dernières décennies, les batteries lithium-ion (LIB) ont gagné en popularité et ont bénéficié d’énormes progrès technologiques. En raison de divers avantages (par exemple, densité d’énergie élevée, faible entretien, faibles temps d’autodécharge et de charge, et longue durée de vie), le LIB a été considéré comme une technologie de stockage d’énergie prometteuse et largement utilisé dans diverses applications, telles que les grands systèmes de stockage d’énergie (ESS), les véhicules électriques (VE) et les appareils électroniques portables. Alors que la demande mondiale de cellules LIB devrait doubler, passant de 725 GWh en 2020 à 1 500 GWh en 20301, il y a eu une augmentation substantielle des incendies et des explosions liés aux LIBs au cours des dernières années2. Ces accidents démontrent les risques élevés associés aux LIB, ce qui soulève des inquiétudes quant à leur utilisation à grande échelle. Pour atténuer ces préoccupations, il est essentiel d’acquérir une compréhension approfondie du processus d’emballement thermique LIB conduisant à des incendies.

Des accidents antérieurs ont révélé que les cellules LIB échouent lorsque l’électrochimie de la cellule est perturbée par une surchauffe dans des conditions de fonctionnement anormales (tels qu’un court-circuit externe, une décharge rapide, une surcharge et des dommages physiques) ou en raison de défauts de fabrication et d’une mauvaise conception 2,3,4. Ces événements conduisent à la décomposition de l’interface solide-électrolyte (SEI), stimulant des réactions chimiques hautement exothermiques entre les matériaux d’électrode et les électrolytes. Lorsque la chaleur produite dans ces réactions dépasse celle dissipée, il en résulte un auto-échauffement rapide des cellules, également connu sous le nom d’emballement thermique. La température et la pression internes peuvent continuer à augmenter jusqu’à ce que la pression accumulée provoque la rupture de la batterie et libère des gaz toxiques inflammables à grande vitesse. Dans une configuration de batterie à plusieurs cellules, un emballement thermique dans une seule cellule, s’il n’est pas contrôlé, peut entraîner une propagation de l’emballement thermique vers d’autres cellules et des incidents d’incendie et d’explosion à des niveaux catastrophiques, en particulier dans les espaces clos avec une ventilation limitée. Cela pose des menaces importantes pour la sécurité humaine et les structures.

Au cours des dernières décennies, un certain nombre d’études ont été menées pour étudier les réactions d’emballement thermique des LIBs conduisant à la combustion d’électrolytes organiques à l’intérieur de la batterie et à la libération de gaz inflammables dans différentes conditions de chauffage 2,5,6,7,8,9,10,11,12. Par exemple, Jhu et al.10 ont démontré la nature dangereuse des LIBs cylindriques chargées par rapport aux LIBs non chargées utilisant un calorimètre adiabatique. De nombreuses autres études se sont concentrées sur le comportement d’emballement thermique des LIBs à différents états de charge (SOC). Par exemple, Joshi et coll.13 ont étudié l’emballement thermique de divers types de LIBs commerciales (cylindriques et de poches) dans différents SOC. Il a été remarqué que les cellules des SOC plus élevés avaient plus de chances de subir un emballement thermique par rapport à celles des SOC inférieurs. En outre, le SOC minimum pour qu’un emballement thermique se produise variait selon les formats de cellules et les chimies. Roth et al.11 ont testé des LIBs cylindriques dans un calorimètre à vitesse d’accélération (ARC) et ont observé que, lorsque le SOC augmentait, la température d’apparition de l’emballement thermique diminuait et le taux d’accélération augmentait. Golubkov et al.12 ont développé un banc d’essai conçu sur mesure et ont montré que la température de surface maximale des LIBs cylindriques pouvait atteindre 850 °C. Ribière et al.14 ont utilisé un appareil de propagation du feu pour étudier les dangers induits par l’incendie des LIBs de poche et ont remarqué que le taux de dégagement de chaleur (HRR) et la production de gaz toxiques variaient considérablement avec le SOC de la cellule. Chen et al.15 ont étudié les comportements au feu de deux LIBs 18650 différentes (LiCoO2 et LiFePO4) dans différents SOC, à l’aide d’un calorimètre in situ sur mesure. On a constaté que le HRR, la perte de masse et la température de surface maximale augmentaient avec le SOC. Il a également été démontré que le risque d’explosion était plus élevé pour une cellule à cathode 18650 à oxyde de lithium-cobalt (LiCoO 2) complètement chargée que pour une cellule 18650 à cathode de phosphate de fer lithium (LiFePO2). Fu et al.16 et Quang et al.17 ont mené des expériences de feu sur des LIBs (à 0%-100% SOC) à l’aide d’un calorimètre à cône. Il a été observé que les LIBs à un SOC plus élevé entraînaient des risques d’incendie plus élevés en raison de durées plus courtes avant l’allumage et l’explosion, d’un HRR plus élevé, d’une température de surface plus élevée et d’émissions plus élevées de CO et de CO2.

Pour résumer, des études antérieures utilisant différents calorimètres18,19 (ARC, calorimétrie adiabatique, calorimétrie C80 et calorimétrie de bombe modifiée) ont fourni des données abondantes sur les processus électrochimiques et thermiques associés à l’emballement thermique LIB et aux incendies (par exemple, HRR, compositions des gaz évacués) et leurs dépendances au SOC , à la chimie de la batterie et au flux de chaleur incident2,3, 7,20. Cependant, la plupart de ces méthodes ont été conçues à l’origine pour les combustibles solides classiques (p. ex. échantillons de cellulose, plastique) et fournissent peu d’information lorsqu’elles sont appliquées aux feux LIB. Bien que certains essais antérieurs aient mesuré le HRR et l’énergie totale générée par les réactions chimiques, les aspects cinétiques des incendies postthermiques n’ont pas été entièrement pris en compte.

La gravité des dangers lors de l’emballement thermique dépend principalement de la nature et de la composition des gaz libérés 2,5. Par conséquent, il est important de caractériser les gaz libérés, le taux de ventilation et leur dépendance au SOC. Certaines études antérieures ont mesuré la composition des gaz d’évent de l’emballement thermique LIB dans un environnement inerte (p. ex. dans l’azote ou l’argon)12,21,22; La composante incendie pendant l’emballement thermique a été exclue. De plus, ces mesures ont été principalement effectuées après les expériences (plutôt que sur place). Les évolutions de la composition des gaz d’évent pendant et après l’emballement thermique, en particulier celles impliquant des incendies et des gaz toxiques, sont restées sous-explorées.

On sait que l’emballement thermique perturbe l’électrochimie de la batterie et impacte la tension et la température de la cellule. Un essai complet pour caractériser le processus d’emballement thermique du LIB devrait donc fournir une mesure simultanée de la température, de la masse, de la tension et des gaz évacués (vitesse et composition). Cela n’a pas été réalisé en une seule configuration dans les études précédentes. Dans cette étude, un nouvel appareil et un nouveau protocole d’essai sont développés pour recueillir des données résolues dans le temps sur les informations sur les cellules, les compositions de gaz et les caractéristiques du feu pendant et après l’emballement thermique des cellules LIB23. L’appareillage d’essai est représenté à la figure 1A. Une grande chambre environnementale (~600 L) est utilisée pour limiter l’emballement thermique. La chambre est équipée d’une soupape de surpression (avec une pression manométrique réglée à 0,5 psig) pour empêcher l’augmentation de pression dans la chambre. Un analyseur de gaz infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) est connecté à la chambre pour l’échantillonnage in situ des gaz tout au long de l’essai. Il détecte 21 espèces de gaz (H2O, CO 2, CO, NO, NO 2, N2O,SO2, HCl, HCN, HBr, HF,NH3, C2H4,C2H6,C3H8,C 6H14, CH4, HCHO, C 6 H6O, C3H4O et COF 2). La fréquence d’échantillonnage FTIR est de 0,25 Hz. De plus, un capteur d’hydrogène autonome est installé à l’intérieur de la chambre près de l’orifice de prélèvement FTIR pour enregistrer la concentration deH2. Deux pompes (une pompe à membrane résistante aux produits chimiques de 1,3 cfm et une pompe à vide de 0,5 CV) sont installées dans la conduite d’échappement de la chambre. Après chaque expérience, une procédure de nettoyage de la chambre est suivie pour filtrer et pomper le gaz de la chambre directement vers la conduite d’échappement du bâtiment.

Dans chaque expérience, la cellule est installée à l’intérieur de la chambre dans un porte-échantillon (Figure 1B). L’emballement thermique est déclenché par un ruban chauffant électrique contrôlé par un dérivé intégral proportionnel (PID) à une vitesse de chauffage constante de 10 °C/min. Les températures de surface des cellules sont enregistrées par des thermocouples à trois endroits différents le long de la cellule. La perte de masse de la cellule est mesurée par un bilan massique. La pression de la chambre est surveillée par un transducteur de pression. La tension de la cellule et l’entrée de puissance (tension et courant) dans la bande chauffante sont également enregistrées. Toutes les lectures de capteurs (thermocouples, perte de masse, tension de cellule, courant de bande chauffante et tension) sont collectées par un programme d’acquisition de données personnalisé à une fréquence de 2 Hz. Enfin, deux caméscopes (résolution de 1920 pixels x 1080 pixels) sont utilisés pour enregistrer l’ensemble du processus des expériences sous deux angles différents.

L’objectif du développement de cette nouvelle méthode d’essai est double : 1) caractériser les comportements de fumée et de feu associés à l’emballement thermique LIB et 2) fournir des données expérimentales résolues dans le temps qui permettent le développement de modèles numériques à haute validité pour les incendies de batteries. L’objectif à long terme est de faire progresser la compréhension de la façon dont l’emballement thermique se propage entre les cellules d’une batterie et comment un incendie de batterie s’intensifie lorsqu’il passe de cellules simples à des batteries multi-cellules. En fin de compte, cela contribuera à améliorer les lignes directrices et les protocoles pour le stockage et le transport des LIBs en toute sécurité.

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Protocol

1. Démarrage de l’analyseur de gaz FTIR

REMARQUE: Les procédures peuvent être différentes pour différentes marques et modèles de l’analyseur de gaz FTIR. La procédure suivante concerne l’analyseur de gaz spécifique utilisé dans ce travail.

  1. Installez un nouveau filtre ou un filtre propre (c.-à-d. un filtre qui a été nettoyé dans un bain à ultrasons) dans le filtre/vanne (voir la figure 1 et la figure 2).
  2. Ouvrez la vanne de la bouteille d’azote connectée à l’analyseur de gaz (voir Figure 2). Régler le débit d’azote à 150-250 cc/min.
    NOTE: Ceci est pour préparer la purge N2 pendant le nettoyage pré/post-test de l’analyseur de gaz.
  3. Suivez la procédure de démarrage FTIR décrite dans le manuel du fabricant, « FTIR and PAS Pro for the FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure »24, version 3.1.
    NOTA : Pendant que le FTIR fonctionne, la conduite de gaz entre le FTIR et la chambre (voir la figure 2) est maintenue à 180 °C pour éviter la condensation du gaz. Veillez à ne pas toucher la conduite chauffante et l’unité filtre/vanne.

2. Préparation cellulaire

  1. Notez la date, l’heure, le SOC, les participants au test, le numéro de test, le fabricant de la cellule, le format de la cellule et le numéro de modèle de cellule sur une feuille de journal d’expérience.
  2. Mesurer et enregistrer la tension et la masse initiales de la cellule (avec une précision de 0,01 g) sur la feuille de bord de l’expérience.
  3. Fixez le ruban chauffant (1 po x 2 po, 20 W/po2) au centre de la cellule et prenez une photo de la cellule avec le ruban chauffant. Assurez-vous que les fils du ruban chauffant pointent vers le côté négatif de la cellule (voir Figure 3).
  4. Fixez trois thermocouples (de type K avec un diamètre de sonde de 0,02 po, longueur de 12 po) à la surface de la cellule à l’aide d’un ruban résistant aux hautes températures, un près de la borne positive, un au milieu et un au bas près de la borne négative de la cellule, tous situés à 5 mm du bord du ruban chauffant (voir la figure 3A). Utilisez le thermocouple près de la borne positive pour contrôler la vitesse de chauffage via le PID. Après avoir installé les thermocouples, prenez une photo de la cellule avec une règle pour confirmer la distance du ruban chauffant.
  5. Souder par points des languettes en nickel (0,1 mm d’épaisseur, 5 mm de largeur et 100 mm de longueur) aux bornes positives et négatives de la cellule pour la mesure de la tension de la cellule. Assurez-vous que les languettes de nickel sont orientées dans des directions différentes pour éviter qu’elles ne se touchent, ce qui entraîne un court-circuit externe (Figure 3B).
  6. Chargez la cellule sur le support de cellule, comme illustré à la figure 3C.
  7. Confirmez que tous les fils de la mesure de tension et les thermocouples sont acheminés vers la borne négative de la cellule pour éviter les orifices de ventilation sur la borne positive de la cellule.

3. Configuration de la chambre d’essai

  1. Allumez le voyant de la diode électroluminescente (LED) dans la chambre.
  2. Placez la cellule et le support de cellule sur le bilan massique dans la chambre (voir Figure 4). Connectez les connecteurs du thermocouple, le ruban chauffant et les languettes en nickel aux fiches et aux fils d’alimentation de la chambre.
  3. Activez le bilan massique. Tare l’équilibre.
  4. Mettez le bloc d’alimentation du capteur d’hydrogène.
  5. Allumez le contrôleur PID du ruban chauffant. Réglez le profil de chauffage (température : 200 °C ; temps de rampe : 17 min). Connectez les câbles du contrôleur PID, de l’acquisition de données et du bilan massique à un ordinateur portable et démarrez le programme d’acquisition de données sur l’ordinateur portable.
  6. Assurez-vous que toutes les lectures de capteur indiquées dans le programme d’acquisition de données sont raisonnables : tension de cellule proche de la valeur mesurée à l’étape 2.2, tension et courant d’entrée dans la bande chauffante proche de zéro (puisque l’alimentation n’est pas encore allumée), lectures de thermocouple proches de la température ambiante (~25 °C), pression de la chambre ~1 atm et lecture de masse ~0 g. Après avoir vérifié les mesures, désactivez le programme d’acquisition de données.
  7. Réglez les paramètres du caméscope à vue avant et latérale : balance des blancs manuelle (calibrée initialement à l’aide d’un livre blanc), mise au point manuelle (fixée sur la surface de la cellule près de la borne positive), exposition automatique, IRIS automatique et vitesse d’obturation automatique. Assurez-vous que la batterie du caméscope est pleine.
  8. Placez le caméscope de vision avant sur un trépied à l’extérieur de la chambre (voir Figure 4). Commencez l’enregistrement sur le caméscope latéral et placez-le dans un boîtier de protection dans la chambre. Vérifiez l’angle et la vue latérale du caméscope. Verrouillez le boîtier de protection.
  9. Vérifiez s’il y a des objets dangereux ou inutiles à l’intérieur de la chambre et si les étapes énumérées ci-dessus ont été ignorées.
  10. Fermez la chambre et assurez-vous que toutes les vis sur les plaques de recouvrement sont bien fixées (p. ex., à l’aide d’une clé à chocs).
  11. Utilisez la pompe à vide ou à membrane pour effectuer une vérification des fuites. Vérifiez que toutes les vannes, plaques de recouvrement et fenêtres d’observation sont solidement fixées.
    REMARQUE: Si la pression diminue lentement ou ne baisse pas, il y a des fuites quelque part.
  12. Changez l’admission IRTF de l’air ambiant à la chambre.
  13. Connectez la ligne de retour FTIR à la chambre (voir Figure 2).

4. Expérience d’emballement thermique et d’incendie

  1. Réglez le contrôleur PID sur le mode ramp-soak.
  2. Éteignez la lumière dans la pièce et la lumière LED dans la chambre.
  3. Démarrez l’enregistrement du caméscope frontal. Utilisez la caméra pour enregistrer les actions des étapes 4.4 et 4.5 pour la synchronisation temporelle de toutes les données collectées (données du capteur, lectures FTIR et vidéos) après les expériences.
  4. Démarrez l’enregistrement des données dans le programme d’acquisition de données sur l’ordinateur portable.
  5. Démarrez le mode PID ramp-soak à 10 s sur la minuterie du programme d’acquisition de données. Allumez le voyant LED de la chambre. Démarrez l’enregistrement FTIR.
  6. Placez le caméscope de vision avant sur le trépied et continuez à enregistrer l’expérience.
  7. Déplacez-vous dans une autre pièce et continuez à surveiller le panneau d’acquisition de données sur l’ordinateur portable via un programme de bureau contrôlé à distance. Notez que cette étape est prise par précaution supplémentaire et n’est pas obligatoire. Étant donné que les expériences sont entièrement confinées dans la chambre environnementale, le risque pour le personnel environnant est minime.
  8. S’il est présent dans la même pièce que la chambre, porter l’équipement de protection individuelle (EPI) approprié pendant toute la période d’essai (p. ex. gants, respirateur P100, lunettes de sécurité et blouse de laboratoire résistante au feu).

5. Fin de l’expérience

  1. Lorsque l’emballement thermique se produit (c.-à-d. que les lectures de thermocouples montrent des pics soudains) ou après que le contrôleur PID a maintenu la température de la cellule à 200 °C pendant 60 minutes (selon la première éventualité), coupez l’alimentation du ruban chauffant et réglez le contrôleur PID en mode veille.
  2. Attendez que toutes les lectures de thermocouple tombent à température ambiante (<50 °C). Notez que le processus de refroidissement d’une seule cellule peut prendre environ 30 minutes.
  3. Arrêtez le programme d’acquisition de données sur l’ordinateur portable, la mesure FTIR et l’enregistrement vidéo.

6. Éteindre l’analyseur de gaz FTIR

  1. Suivez la procédure d’arrêt de la FTIR documentée dans le manuel du fabricant, « FTIR and PAS Pro for the FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure », version 3.1.
  2. Purgez l’analyseur de gaz FTIR avec de l’azote pour nettoyer le tube et l’analyseur pendant ~15 min. Assurez-vous que le débit de N2 vers l’analyseur de gaz FTIR est de 150-250 cc/min.
  3. Lors de la purge de l’analyseur de gaz, transférez les résultats FTIR sur une clé USB.
  4. Après la purge, éteignez l’analyseur de gaz.
  5. Portez l’EPI approprié, y compris une paire de gants isolants thermiques, et retirez le filtre dans le filtre/vanne chauffant. Soyez extrêmement prudent, car l’unité filtre/vanne peut être très chaude.
  6. Nettoyez le filtre retiré avec un bain à ultrasons d’une solution de nettoyage.

7. Nettoyage de la chambre et collecte de données

  1. Avant la procédure d’aspiration par nettoyage de la chambre, vérifiez si la conduite de prélèvement (admission) FTIR (qui est connectée à la chambre) est fermée ou ouverte à l’air ambiant. Pour le modèle d’analyseur de gaz présenté dans cette étude, sélectionnez Air ambiant sur le logiciel PAS Pro ou arrêtez complètement le FTIR. Si vous ne le faites pas, le tir est endommagé.
  2. Assurez-vous qu’un filtre à charbon est installé entre la pompe à membrane résistant aux produits chimiques (pompe 1 de la figure 2) et la chambre. Marquez le nombre d’utilisations sur le filtre et remplacez-le par un nouveau tous les ~10-15 tests.
  3. Ouvrez la vanne 1 pour préparer l’aspiration partielle de la chambre à l’aide de la pompe à membrane résistante aux produits chimiques.
  4. Faites fonctionner la pompe à membrane jusqu’à ce que la pression de la chambre tombe à P1 = 9,7 psia (c.-à-d. -5 pression manométrique).
  5. Mettez la pompe à membrane hors tension et fermez la vanne 1.
  6. Ouvrez la vanne 3 (voir Figure 4) pour remplir la chambre d’air ambiant.
  7. Fermez la vanne 3 lorsque la pression de la chambre revient à la pression ambiante, P∞.
  8. Répétez la procédure d’aspiration partielle (étapes 7.3-7.7) cinq fois. Ainsi, le pourcentage de gaz d’échappement dans la chambre devrait tomber à (P 1/P∞)5 = 12,5%.
  9. Ouvrez la vanne 2 pour préparer l’aspiration complète de la chambre à l’aide de la pompe à vide (pompe 2 de la figure 2).
  10. Faites fonctionner la pompe à vide jusqu’à ce que la pression de la chambre tombe à P2 = 4,7 psia (ou -10 psia pression manométrique).
  11. Éteignez la pompe et fermez la vanne 2.
  12. Ouvrez la vanne 3 pour remplir la chambre d’air ambiant jusqu’à ce que la pression de la chambre revienne à la pression ambiante, P∞.
  13. Répétez la procédure complète d’aspiration (étapes 7.9-7.12) deux fois.
    NOTE: Après les procédures de vide partiel et complet, le pourcentage de gaz d’échappement dans la chambre doit être inférieur à 1,3%.
  14. Ouvrez la chambre et récupérez le caméscope et la cellule.
  15. Désactivez le bilan massique.
  16. Utilisez une serviette en papier humide pour nettoyer l’intérieur de la chambre (p. ex., enlevez tous les débris et essuyez les parois intérieures de la chambre).
  17. Prenez des photos avant, pendant et après avoir retiré la cellule du porte-cellule.
  18. Pesez la cellule et notez la masse post-test de la cellule.
  19. Récupérez toutes les données enregistrées (lectures de thermocouples, tension de cellule, tension de bande chauffante, courant, pression de chambre et mesure de la masse de la cellule) de l’ordinateur portable et les enregistrements vidéo des deux caméscopes.
  20. Combinez les vidéos collectées à l’aide d’un logiciel de montage vidéo. Notez l’heure d’apparition des événements majeurs, tels que la ventilation des cellules, l’emballement thermique et l’incendie. Enregistrez la vidéo combinée dans le format souhaité (par exemple, mp4 ou avi).
  21. Post-traiter les données collectées et générer des tracés pour visualiser l’évolution temporelle de toutes les mesures.

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Representative Results

Des vidéos représentant des processus d’emballement thermique typiques avec et sans incendies sont incluses dans le fichier supplémentaire 1 et le fichier supplémentaire 2, respectivement. Les événements clés sont illustrés à la figure 5. Lorsque la température de la cellule est élevée (à ~110-130 °C), la cellule commence à gonfler, indiquant l’accumulation de la pression interne (causée par la vaporisation des électrolytes et la dilatation thermique des gaz à l’intérieur de la cellule2). Viennent ensuite l’ouverture de l’orifice de mise à l’air libre et la libération du gaz d’évent (figures 5A et 5B, respectivement). Le processus de ventilation progressive se poursuit pendant quelques minutes. Après cela, la cellule commence à s’évacuer abondamment (Figure 5C), et un emballement thermique se produit (Figure 5D). Ceux-ci se produisent indépendamment du SOC. À des COS plus élevés (p. ex. 75 % et 100 %), des étincelles (figure 5D), des incendies (figure 5E) et l’expulsion du contenu cellulaire (voir les images post-test à la figure 5F, G) sont également observés pendant et après l’emballement thermique. À des COS inférieurs (p. ex. 30 % et 50 %), l’éruption d’électrolytes accompagnés de fumée épaisse est observée sans étincelles ni incendies. Notez que, selon les phénomènes d’intérêt, les réglages de l’appareil photo / caméscope et la lumière LED de fond doivent être soigneusement choisis. Dans la Figure 5A, le caméscope est focalisé sur l’orifice de ventilation, et la lumière de fond blanche brillante est choisie pour capturer le phénomène d’ébullition de l’électrolyte au début du processus de ventilation. Si l’intérêt est dans le feu gazeux, les réglages du caméscope à réglage automatique, une lumière LED verte plus faible et un arrière-plan sombre sont recommandés.

Les mesures représentatives sont tracées à la figure 6, avec les événements clés marqués par des tirets verticaux. Ces placettes sont destinées à un essai en cas d’incendie (à 75 % de COS, indiqué dans le dossier supplémentaire 1). La figure 6A montre que la température de la cellule est plus élevée à l’emplacement médian qu’aux emplacements supérieur (près de la borne positive) et inférieur (près du terminal négatif). La lecture du thermocouple de localisation supérieure (qui est utilisé pour le contrôle PID) confirme que la vitesse de chauffage de la cellule est à la valeur prévue (c.-à-d. ~10 °C/min ou 0,167 °C/s). Notez que les lectures de température montrent une baisse momentanée au début de la ventilation cellulaire (événement 3). Cela est dû à la perte de chaleur soudaine due à la libération de gaz par l’évent. Lorsque l’emballement thermique se produit, la température de la cellule montre un pic soudain. Après l’emballement thermique, en particulier dans les cas où le feu et les expulsions du contenu de la cellule se produisent, les thermocouples peuvent se détacher de la surface de la cellule et donc lire les températures du gaz au lieu des températures de surface de la batterie. Des précautions particulières doivent être prises lors de l’interprétation des données. En outre, une attention particulière doit être accordée à la confirmation que les thermocouples ne se détachent pas pendant le test.

En outre, la tension de la cellule tombe à zéro (événement 2) avant que l’emballement thermique ne se produise (minutes avant que la cellule ne commence à s’évacuer dans le cas représentatif illustré à la figure 6A). On sait que la décomposition de la couche d’interphase solide-électrolytique (SEI) commence à ~80-120 °C et que le séparateur commence à fondre à 135-166 °C2. La dégradation de ces composants entraîne un court-circuit interne (ISC) entre les deux électrodes, accompagné d’une décomposition de l’électrolyte, puis éventuellement, de l’emballement thermique d’une cellule LIB. La chute de tension de la cellule est le premier signal de l’événement de défaillance LIB. Selon la chimie, le format et la conception de la cellule, chaque événement de défaillance (par exemple, chute de tension, ventilation, emballement thermique) peut se produire à différents moments et à différentes températures de la cellule.

Le taux de perte de masse peut être déduit des données de perte de masse obtenues dans la procédure d’essai. La perte de masse (illustrée à la figure 6B) indique deux périodes distinctes de libération de gaz, l’une pendant la mise à l’air libre de la cellule et l’autre pendant l’emballement thermique. La perte de masse pendant la période d’évacuation est similaire (~3-4 g) dans tous les SOC considérés, tandis que la perte de masse à l’emballement thermique augmente avec le SOC. En outre, la perte de masse lors de l’emballement thermique tient compte non seulement du gaz évacué, mais également du contenu des cellules éjectées et des composants qui brûlent.

Les concentrations des principales espèces d’hydrocarbures et de gaz toxiques sont indiquées à la figure 6C-E. Différentes compositions sont observées pendant la période de ventilation et d’emballement thermique. Au fur et à mesure que le gaz d’évent se disperse dans la chambre après l’extinction du feu, la concentration de chaque espèce converge vers une valeur stable.

Le courant (I) et la tension (V) enregistrés fournis à la bande chauffante (illustrés à la figure 7A) peuvent être utilisés pour calculer la puissance absorbée par la cellule. L’apport d’énergie et la puissance de chauffage cumulés sont calculés comme suit:

Equation 1 (1)

Equation 2 (2)

Dans le test représentatif, la courbe d’énergie cumulée (E dans Eq. 1; ligne noire continue dans la figure 7B) peut être ajustée par la droite de régression polynomiale du second ordre (ligne bleue continue dans la figure 7B). En utilisant cette droite de régression, on constate que la puissance d’entrée (dE/dt dans Eq. 2) de la cellule augmente linéairement avec le temps (ligne de tiret bleue sur la figure 7B).

Figure 1
Figure 1 : Appareillage expérimental et schémas. (A) L’appareil expérimental pour les expériences d’emballement thermique LIB. (B) Les schémas de l’installation à l’intérieur de la chambre. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Schéma du système d’écoulement de l’appareil. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Préparation d’une cellule 18650. (A) Étape 2.4. b) Étape 2.5. c) Étape 2.6. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Installation de la cellule LIB à l’intérieur de la chambre avec acquisition de données. (A) Étape 3.2. b) Étape 3.5. (C-E) Étape 3.8. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5 : Événements clés au cours d’un processus d’emballement thermique typique. (A) Ouverture de l’orifice de ventilation et ébullition de l’électrolyte. B) Libération progressive du gaz d’évent. (C) Dégagement intense du gaz de l’évent avant l’emballement thermique. (D) Début de l’emballement thermique. e) Incendie. (F-G) Contenu des cellules éjectées observé lors de l’inspection post-essai. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6
Figure 6 : Données représentatives obtenues pour une cellule cylindrique 18650 à 75 % SOC. (A) Température de la cellule. (B) Perte de masse. (C-E) Concentrations des principales espèces d’hydrocarbures et de gaz toxiques. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7
Figure 7 : Données représentatives pour l’entrée de puissance de la bande chauffante. (A) Tension et courant fournis au ruban chauffant. (B) Calcul de l’énergie et de la puissance fournie à la bande chauffante. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Fichier supplémentaire 1 : Vidéo du processus d’emballement thermique de la cellule 18650 à 75% SOC. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Fichier supplémentaire 2 : Vidéo du processus d’emballement thermique de la cellule 18650 à 50% SOC. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

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Discussion

Les étapes les plus critiques du protocole sont celles concernant les gaz toxiques libérés dans l’emballement thermique LIB. L’essai d’étanchéité de l’étape 3.11 doit être effectué avec soin pour s’assurer que les gaz toxiques sont confinés dans la chambre pendant les expériences. Les procédures d’épuration des gaz de la chambre (étapes 7.1 à 7.14) doivent également être effectuées correctement pour atténuer le danger lié aux gaz toxiques. Les gaz toxiques peuvent ne constituer qu’une petite fraction du gaz d’évacuation pendant l’emballement thermique LIB. Cependant, même de très faibles concentrations de certains gaz toxiques constituent une grande menace pour la santé humaine. Les limites d’exposition professionnelle de 8 heures à l’acroléine et au formaldéhyde imposées par l’Occupational Safety and Health Administration (OSHA) sont respectivement de 0,1 et 0,75 ppm, ce qui est nettement inférieur aux valeurs mesurées dans la chambre de 600 L (voir Figure 6E). Cela souligne l’importance d’avoir une chambre scellée et de porter un masque approprié pendant toute la durée du test. Cela souligne également la nécessité de disposer d’une méthode d’essai, telle que celle présentée ici, pour caractériser les rejets de gaz toxiques pour les LIB.

D’autres étapes critiques concernent la synchronisation temporelle entre les mesures du capteur, les lectures FTIR et les vidéos du caméscope. Dans les étapes du protocole 4.3-4.5, l’enregistrement vidéo et l’apparition de la lumière LED fournissent un moyen de synchroniser toutes les données. À moins que d’autres méthodes de synchronisation ne soient utilisées, ces étapes doivent être suivies attentivement. Ce n’est qu’avec des données synchronisées que les espèces de gaz d’évent et les caractéristiques du feu peuvent être corrélées aux conditions de la cellule (par exemple, température, perte de masse, tension) et aux différents événements de l’emballement thermique.

Il existe des limites pour la méthode d’essai présentée. Tout d’abord, il est limité à l’emballement thermique causé par un abus thermique externe. Les résultats peuvent ne pas représenter le processus d’emballement thermique causé par d’autres modes de défaillance de la batterie (par exemple, abus mécanique, court-circuit interne). Deuxièmement, le taux de rejet massique de gaz d’évent n’est pas mesuré directement. Au lieu de cela, il est déduit de la perte de masse enregistrée de la cellule. Au cours du processus de ventilation avant l’emballement thermique, le taux de perte de masse de la cellule peut être interprété comme le taux de libération massique du gaz d’évent. Cependant, lors de l’emballement thermique, la perte de masse cellulaire tient compte non seulement du gaz évacué, mais également du contenu de la cellule éjectée et des composants qui brûlent. De plus, cette méthode d’essai ne caractérise pas l’élévation de pression dans la chambre pendant et après la piste thermique LIB. D’autre part, la pression manométrique de la chambre est limitée par une soupape de surpression pour des raisons de sécurité (voir Figure 2)

La méthode expérimentale présentée fournit un cadre pour caractériser l’emballement thermique et les incendies de batteries lithium-ion grâce à la mesure in situ de divers paramètres en un seul essai. Les données détaillées résolues dans le temps fournissent également des paramètres empiriques pour le développement de modèles numériques. Par exemple, le taux de libération massique de gaz d’évent déduit de la lecture de la masse cellulaire et des lectures d’espèces de gaz FTIR peut être implémenté dans un modèle numérique de dynamique des fluides (CFD) en tant que conditions aux limites. Cela élimine le besoin de simuler l’électrochimie de la cellule et permet de faire moins d’hypothèses, ce qui se traduit par un modèle plus général, numériquement rentable et précis pour les incendies de batterie.

Bien que seule la procédure d’essai pour une cellule cylindrique soit présentée dans la présente étude, cette procédure peut être appliquée à des cellules de différents formats (p. ex. poche ou prismatique) et peut être facilement étendue pour tester la propagation thermique incontrôlée entre plusieurs cellules d’une batterie. En outre, il convient de noter que les concentrations de gaz obtenues au cours du processus d’emballement thermique comprennent non seulement le gaz de ventilation, mais également les produits de combustion lors de l’incendie de la batterie. Si l’intérêt porte sur le gaz d’évent généré avant et pendant l’emballement thermique, un environnement de chambre inerte (p. ex. argon ou azote) devrait être envisagé.

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Disclosures

Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.

Acknowledgments

Cette étude est soutenue par les instituts de recherche UL. Toutes les cellules de batterie de ce travail ont été conditionnées et préparées dans le laboratoire du professeur Chris Yuan à la Case Western Reserve University (CWRU). La chambre d’essai est prêtée à CWRU par le Glenn Research Center de la NASA. Nous avons reçu un soutien considérable sur l’analyseur de gaz FTIR de la part d’un ancien doctorant, le Dr Yumi Matsuyama de CWRU, et un soutien technique sur le capteur H2 de Jeff Tucker, Brandon Wicks et Brian Engle d’Amphenol Advanced Sensors. Nous apprécions sincèrement le soutien de Pushkal Kannan et Boyu Wang de CWRU. Nous tenons également à souligner les discussions techniques avec Alexandra Schraiber d’UL Solutions.

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

  1. Duffner, F., et al. Post-lithium-ion battery cell production and its compatibility with lithium-ion cell production infrastructure. Nature Energy. 6 (2), 123-134 (2021).
  2. Wang, Q., Mao, B., Stoliarov, S. I., Sun, J. A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies. Progress in Energy and Combustion Science. 73, 95-131 (2019).
  3. Srinivasan, R., et al. Thermal safety management in Li-ion batteries: current issues and perspectives. Journal of The Electrochemical Society. 167 (14), 140516 (2020).
  4. Jeevarajan, J. A., Joshi, T., Parhizi, M., Rauhala, T., Juarez-Robles, D. Battery hazards for large energy storage systems. ACS Energy Letters. 7 (8), 2725-2733 (2022).
  5. Ogunfuye, S., Sezer, H., Said, A. O., Simeoni, A., Akkerman, V. Y. An analysis of gas-induced explosions in vented enclosures in lithium-ion batteries. Journal of Energy Storage. 51, 104438 (2022).
  6. Diaz, L. B., et al. Meta-review of fire safety of lithium-ion batteries: Industry challenges and research contributions. Journal of The Electrochemical Society. 167 (9), 090559 (2020).
  7. Jeevarajan, J., Robles, D. J., Joshi, T., Kathirvel, K. Fire and smoke characterization of lithium-ion cells and modules during thermal runaway. Electrochemical Society Meeting Abstracts. The Electrochemical Society, Inc. 5, 280 (2021).
  8. Lopez, C. F., Jeevarajan, J. A., Mukherjee, P. P. Experimental analysis of thermal runaway and propagation in lithium-ion battery modules. Journal of The Electrochemical Society. 162 (9), 1905 (2015).
  9. Ghiji, M., Edmonds, S., Moinuddin, K. A review of experimental and numerical studies of lithium ion battery fires. Applied Sciences. 11 (3), 1247 (2021).
  10. Jhu, C. Y., Wang, Y. W., Shu, C. M., Chang, J. C., Wu, H. C. Thermal explosion hazards on 18650 lithium ion batteries with a VSP2 adiabatic calorimeter. Journal of Hazardous Materials. 192 (1), 99-107 (2011).
  11. Roth, E. P., Doughty, D. H. Thermal abuse performance of high-power 18650 Li-ion cells. Journal of Power Sources. 128 (2), 308-318 (2004).
  12. Golubkov, A. W., et al. Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes. RSC Advances. 4 (7), 3633-3642 (2013).
  13. Joshi, T., Azam, S., Lopez, C., Kinyon, S., Jeevarajan, J. Safety of lithium-ion cells and batteries at different states-of-charge. Journal of The Electrochemical Society. 167 (14), 140547 (2020).
  14. Ribière, P., et al. Investigation on the fire-induced hazards of Li-ion battery cells by fire calorimetry. Energy & Environmental Science. 5 (1), 5271-5280 (2012).
  15. Chen, M., et al. Investigation on the thermal hazards of 18650 lithium ion batteries by fire calorimeter. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 122 (2), 755-763 (2015).
  16. Fu, Y., et al. An experimental study on burning behaviors of 18650 lithium ion batteries using a cone calorimeter. Journal of Power Sources. 273, 216-222 (2015).
  17. Ouyang, D., He, Y., Chen, M., Liu, J., Wang, J. Experimental study on the thermal behaviors of lithium-ion batteries under discharge and overcharge conditions. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 132 (1), 65-75 (2018).
  18. Said, A. O., Lee, C., Liu, X., Wu, Z., Stoliarov, S. I. Simultaneous measurement of multiple thermal hazards associated with a failure of prismatic lithium ion battery. Proceedings of the Combustion Institute. 37 (3), 4173-4180 (2019).
  19. Quintiere, J. G. On methods to measure the energetics of a lithium ion battery in thermal runaway. Fire Safety Journal. 111, 102911 (2020).
  20. Chen, Y., et al. A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standards. Journal of Energy Chemistry. 59, 83-99 (2021).
  21. Kennedy, R. W., Marr, K. C., Ezekoye, O. A. Gas release rates and properties from Lithium Cobalt Oxide lithium ion battery arrays. Journal of Power Sourcres. 487, 229388 (2021).
  22. Essl, C., et al. Comprehensive hazard analysis of failing automotive Lithium-ion batteries in overtemperature experiments. Batteries. 6 (2), 30 (2020).
  23. Kwon, B., et al. Fire characterization and gas analysis of lithium-ion batteries during thermal runaway. , Available from: https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/89734 (2022).
  24. FTIR Toxity Test. Fire Testing Technology. , Available from: https://www.fire-testing.com/ftir-toxicity-test/ (2022).

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rétractation numéro 193
<em>In situ</em> Analyse des gaz et caractérisation au feu des cellules lithium-ion pendant l’emballement thermique à l’aide d’une chambre environnementale
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Kwon, B., Cui, W., Sharma, A., Liao, … More

Kwon, B., Cui, W., Sharma, A., Liao, Y. T., Takahashi, F., Juarez-Robles, D., Parhizi, M., Jeevarajan, J. In Situ Gas Analysis and Fire Characterization of Lithium-Ion Cells During Thermal Runaway Using an Environmental Chamber. J. Vis. Exp. (193), e65051, doi:10.3791/65051 (2023).

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