Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

ב Situ ניתוח גזים ואפיון אש של תאי ליתיום-יון במהלך בריחה תרמית באמצעות תא סביבתי

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

במאמר זה אנו מתארים הליך בדיקה שפותח כדי לאפיין בריחה תרמית ושריפות בתאי ליתיום-יון באמצעות מדידות באתרן של פרמטרים שונים בתא סביבתי.

Abstract

מנגנון ניסויי ונוהל הפעלה סטנדרטי (SOP) מפותחים כדי לאסוף נתונים שנפתרו בזמן על הרכבי הגזים ומאפייני האש במהלך ואחרי בריחה תרמית של תאי סוללת ליתיום-יון (LIB). תא גלילי 18650 מותנה למצב טעינה רצוי (SOC; 30%, 50%, 75% ו-100%) לפני כל ניסוי. התא הממוזג נאלץ לברוח תרמית על ידי סרט חימום חשמלי בקצב חימום קבוע (10 ° C / min) בתא סביבתי (נפח: ~ 600 L). התא מחובר לאנלייזר גז אינפרא אדום התמרת פורייה (FTIR) למדידות ריכוז בזמן אמת. שתי מצלמות וידיאו משמשות לתיעוד אירועים מרכזיים, כגון אוורור תאים, בריחה תרמית ותהליך הצריבה שלאחר מכן. תנאי התא, כגון טמפרטורת פני השטח, אובדן מסה ומתח, נרשמים גם הם. בעזרת הנתונים המתקבלים, ניתן להסיק את תכונות הפסאודו-של התא, הרכבי גזי האוורור וקצב מסת האוורור כפונקציות של טמפרטורת התא ו-SOC של התא. בעוד הליך הבדיקה מפותח עבור תא גלילי יחיד, ניתן להרחיב אותו בקלות כדי לבדוק פורמטים שונים של תאים ולחקור התפשטות אש בין תאים מרובים. נתוני הניסוי שנאספו יכולים לשמש גם לפיתוח מודלים מספריים לשריפות LIB.

Introduction

בעשורים האחרונים, סוללות ליתיום-יון (LIBs) צברו פופולריות ונהנו מהתקדמות טכנולוגית עצומה. בשל יתרונות שונים (למשל, צפיפות אנרגיה גבוהה, תחזוקה נמוכה, זמני פריקה עצמית וטעינה נמוכים ותוחלת חיים ארוכה), LIB נחשבת לטכנולוגיית אגירת אנרגיה מבטיחה ונמצאת בשימוש נרחב ביישומים שונים, כגון מערכות אגירת אנרגיה גדולות (ESS), כלי רכב חשמליים (EV) ומכשירים אלקטרוניים ניידים. בעוד שהביקוש העולמי לתאי LIB צפוי להכפיל את עצמו מ-725 ג'יגה-וואט שעה בשנת 2020 ל-1,500 ג'יגה-וואט שעה בשנת 20301, חלה עלייה משמעותית בשריפות ופיצוצים הקשורים לתאי LIB בשנים האחרונות2. תאונות אלה מדגימות את הסיכונים הגבוהים הקשורים ל- LIBs, ומעלות חששות לגבי השימוש בקנה מידה גדול שלהם. כדי להפחית חששות אלה, חיוני להשיג הבנה מעמיקה של תהליך הבריחה התרמית של LIB המוביל לשריפות.

תאונות קודמות גילו כי תאי LIB נכשלים כאשר האלקטרוכימיה של התא משתבשת על ידי התחממות יתר בנסיבות הפעלה חריגות (כגון קצר חשמלי חיצוני, פריקה מהירה, טעינת יתר ונזק פיזי) או עקב פגמים בייצור ועיצוב לקוי 2,3,4. אירועים אלה מובילים לפירוק ממשק מוצק-אלקטרוליט (SEI), ומעוררים תגובות כימיות אקסותרמיות מאוד בין חומרי אלקטרודות ואלקטרוליטים. כאשר החום המיוצר בתגובות אלה עולה על זה שמתפוגג, התוצאה היא חימום עצמי מהיר של התאים, הידוע גם בשם בריחה תרמית. הטמפרטורה והלחץ הפנימיים יכולים להמשיך לעלות עד שהלחץ המצטבר גורם לסוללה להיקרע ולשחרר גזים דליקים ורעילים במהירות גבוהה. בתצורת סוללה מרובת תאים, בריחה תרמית בתא בודד, אם אינה מבוקרת, עלולה להוביל להתפשטות תרמית לתאים אחרים ולתקריות של אש ופיצוץ ברמות קטסטרופליות, במיוחד בחללים סגורים עם אוורור מוגבל. מצב זה מציב איומים משמעותיים על בטיחות האדם ומבנים.

בעשורים האחרונים נערכו מספר מחקרים כדי לחקור את תגובות הבריחה התרמיות של LIBs המובילות לבעירה של אלקטרוליטים אורגניים בתוך הסוללה ולשחרור גזים דליקים בתנאי חימום שונים 2,5,6,7,8,9,10,11,12. לדוגמה, Jhu et al.10 הדגימו את האופי המסוכן של LIBs גליליים טעונים בהשוואה לאלה שאינם טעונים באמצעות קלורימטר אדיאבטי. מחקרים רבים אחרים התמקדו בהתנהגות הבריחה התרמית של LIBs במצבי טעינה שונים (SOC). לדוגמה, Joshi et al.13 חקרו את הבריחה התרמית של סוגים שונים של LIBs מסחריים (גליליים ופאוץ') ב-SOC שונים. הבחינו כי תאים ב-SOC גבוה יותר היו בעלי סיכוי גבוה יותר לעבור בריחה תרמית בהשוואה לתאים ב-SOC נמוכים יותר. בנוסף, ה-SOC המינימלי לבריחה תרמית משתנה עם תבניות התא והכימאים. Roth et al.11 בדקו LIBs גליליים בקלורימטר בקצב האצה (ARC) והבחינו כי ככל שה-SOC עלה, טמפרטורת ההתחלה של הבריחה התרמית ירדה וקצב התאוצה עלה. Golubkov et al.12 פיתחו עמדת בדיקה שתוכננה בהתאמה אישית והראו כי טמפרטורת פני השטח המקסימלית של LIBs גליליים יכולה להיות גבוהה עד 850 מעלות צלזיוס. Ribière et al.14 השתמשו במנגנון התפשטות אש כדי לחקור את הסכנות הנובעות מאש של כיסי LIB והבחינו כי קצב שחרור החום (HRR) וייצור הגזים הרעילים השתנו באופן משמעותי עם SOC התא. Chen et al.15 חקרו את התנהגויות האש של שני LIBs שונים משנת 18650 (LiCoO2 ו-LiFePO4) ב-SOC שונים, באמצעות קלורימטר באתרו בהתאמה אישית. HRR, אובדן מסה וטמפרטורת פני השטח המקסימלית נמצאו כעולים עם SOC. כמו כן הוכח כי הסיכון לפיצוץ היה גבוה יותר עבור תא קתודה 18650 טעון במלואו של תחמוצת ליתיום קובלט (LiCoO 2) בהשוואה לתא קתודה ליתיום ברזל פוספט (LiFePO2) 18650. Fu et al.16 ו- Quang et al.17 ערכו ניסויי אש על LIBs (ב- 0%-100% SOC) באמצעות קלורימטר חרוט. נצפה כי LIBs ב- SOC גבוה יותר גרמו לסיכוני אש גבוהים יותר עקב פרקי זמן קצרים יותר להצתה ופיצוץ, HRR גבוה יותר, טמפרטורת פני שטח גבוהה יותר ופליטות CO ו- CO2 גבוהות יותר.

לסיכום, מחקרים קודמים שהשתמשו בקלורימטרים שונים18,19 (ARC, קלורימטריה אדיאבטית, קלורימטריה C80 וקלורימטריית פצצה מותאמת) סיפקו נתונים רבים על התהליכים האלקטרוכימיים והתרמיים הקשורים לבריחה תרמית של LIB ולשריפות (למשל, HRR, הרכבי הגזים המאווררים) והתלות שלהם ב-SOC, כימיה של סוללות ושטף חום אירוע2,3, 7,20. עם זאת, רוב השיטות הללו תוכננו במקור עבור חומרים דליקים מוצקים קונבנציונליים (למשל, דגימות תאית, פלסטיק) ומספקות מידע מוגבל כאשר הן מיושמות בשריפות LIB. בעוד שכמה בדיקות קודמות מדדו את HRR ואת סך האנרגיה המופקת מתגובות כימיות, ההיבטים הקינטיים של שריפות פוסט-תרמיות לא טופלו במלואם.

חומרת הסיכונים במהלך בריחה תרמית תלויה בעיקר באופי ובהרכב הגזים המשתחררים 2,5. לכן, חשוב לאפיין את הגזים המשתחררים, את קצב האוורור ואת תלותם ב-SOC. כמה מחקרים קודמים מדדו את הרכבי גזי הנביעה של LIB תרמי בסביבה אינרטית (למשל, בחנקן או בארגון)12,21,22; רכיב האש במהלך הבריחה התרמית לא נכלל. בנוסף, מדידות אלה בוצעו בעיקר לאחר ניסויים (במקום באתרם). אבולוציות של הרכב גזי נביעות במהלך הבריחה התרמית ולאחריה, במיוחד אלה הכרוכות בשריפות וגזים רעילים, עדיין לא נחקרו.

ידוע כי בריחה תרמית משבשת את האלקטרוכימיה של הסוללה ומשפיעה על מתח התא והטמפרטורה. בדיקה מקיפה לאפיון תהליך הבריחה התרמית של ה-LIB אמורה, אם כן, לספק מדידה סימולטנית של הטמפרטורה, המסה, המתח והגזים המאווררים (קצב והרכב). זה לא הושג במערך אחד במחקרים הקודמים. במחקר זה, מנגנון חדש ופרוטוקול בדיקה חדשים מפותחים כדי לאסוף נתונים שנפתרו בזמן על מידע התא, הרכבי גזים ומאפייני אש במהלך ואחרי בריחה תרמית של תאי LIB23. מנגנון הבדיקה מוצג באיור 1A. תא סביבתי גדול (~ 600 L) משמש לכליאת אירוע הבריחה התרמית. התא מצויד בשסתום לשחרור לחץ (עם לחץ מד מוגדר של 0.5 psig) למניעת עליית לחץ בתא. מנתח גז אינפרא אדום התמרת פורייה (FTIR) מחובר לתא לצורך דגימת גז באתרו לאורך כל הבדיקה. הוא מזהה 21 מיני גזים (H 2 O, CO 2, CO, NO, NO2, N 2 O, SO 2, HCl, HCN, HBr, HF, NH 3, C 2 H 4, C 2 H 6, C 3 H8, C 6 H14, CH 4, HCHO, C 6 H6O, C 3H 4 O, ו-COF 2). קצב דגימת FTIR הוא 0.25 הרץ. בנוסף, חיישן מימן עצמאי מותקן בתוך התא ליד יציאת הדגימה FTIR כדי להקליט את ריכוז H2. שתי משאבות (משאבת דיאפרגמה עמידה בפני כימיקלים 1.3 cfm ומשאבת ואקום 0.5 כ"ס) מותקנות בקו הפליטה של התא. לאחר כל ניסוי, מתבצע הליך ניקוי תא כדי לסנן ולשאוב את גז התא ישירות לקו הפליטה של הבניין.

בכל ניסוי, התא ממוקם בתוך התא במחזיק דגימה (איור 1B). בריחה תרמית מופעלת על ידי סרט חימום חשמלי מבוקר אינטגרלי פרופורציונלי (PID) בקצב חימום קבוע של 10 ° C / min. טמפרטורות פני השטח של התא נרשמות על ידי זוגות תרמיים בשלושה מיקומים שונים לאורך התא. אובדן המסה של התא נמדד על ידי איזון מסה. לחץ התא מנוטר על ידי מתמר לחץ. מתח התא וכניסת החשמל (מתח וזרם) לסרט החימום נרשמים גם הם. כל קריאות החיישנים (זוגות תרמיים, אובדן מסה, מתח תא, זרם סרט חימום ומתח) נאספות על ידי תוכנית רכישת נתונים מותאמת אישית בקצב של 2 הרץ. לבסוף, שתי מצלמות וידיאו (רזולוציה של 1920 פיקסלים x 1080 פיקסלים) משמשות להקלטת כל תהליך הניסויים משתי זוויות שונות.

מטרת פיתוח שיטת הבדיקה החדשה היא כפולה: 1) לאפיין את התנהגויות העשן והאש הקשורות לבריחה תרמית של LIB ו-2) לספק נתוני ניסוי שנפתרו בזמן המאפשרים פיתוח מודלים מספריים בעלי תוקף גבוה לשריפות סוללות. המטרה ארוכת הטווח היא לקדם את ההבנה של האופן שבו בריחה תרמית מתפשטת בין תאים במארז סוללות וכיצד אש סוללה מתרחבת כאשר עוברים מתאים בודדים לסוללות מרובות תאים. בסופו של דבר, זה יעזור לשפר את ההנחיות והפרוטוקולים לאחסון והובלה של LIBs בבטחה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הפעלת מנתח הגז FTIR

הערה: ההליכים יכולים להיות שונים עבור מותגים ודגמים שונים של מנתח גז FTIR. ההליך הבא הוא עבור אנלייזר גז ספציפי המשמש בעבודה זו.

  1. התקינו מסנן חדש או מסנן נקי (כלומר, מסנן שנוקה באמבטיה על-קולית) ביחידת המסנן/שסתום (ראו איור 1 ואיור 2).
  2. פתחו את השסתום של גליל החנקן המחובר לאנלייזר הגז (ראו איור 2). כוונן את קצב זרימת החנקן ל-150-250 סמ"ק/דקה.
    הערה: זה כדי להתכונן לטיהור N2 במהלך ניקוי לפני / אחרי הבדיקה של אנלייזר הגז.
  3. בצע את הליך ההפעלה של FTIR המתואר במדריך היצרן, "FTIR ו- PAS Pro עבור הליך ההפעלה הסטנדרטי של תא צפיפות עשן FTT"24, גרסה 3.1.
    הערה: בזמן שה-FTIR פועל, קו הגז בין ה-FTIR לתא (ראה איור 2) נשמר ב-180°C כדי למנוע עיבוי גז. היזהרו לא לגעת בקו המחומם וביחידת המסנן/שסתום.

2. הכנת תאים

  1. רשום את התאריך, השעה, SOC, משתתפי הבדיקה, מספר הבדיקה, יצרן התא, תבנית התא ומספר הדגם של התא בגיליון יומן הניסוי.
  2. מדוד ורשום את המתח והמסה ההתחלתיים של התא (בדיוק של 0.01 גרם) על גיליון יומן הניסוי.
  3. חבר סרט חימום (1 אינץ 'x 2 אינץ ', 20 W / in2) למרכז התא וצלם תמונה של התא עם סרט החימום. ודא שחוטי סרט החימום מצביעים לכיוון הצד השלילי של התא (ראה איור 3).
  4. חברו שלושה זוגות תרמיים (מסוג K בקוטר בדיקה של 0.02 אינץ', אורך של 12 אינץ') לפני השטח של התא באמצעות סרט עמיד בטמפרטורה גבוהה, אחד ליד הטרמינל החיובי, אחד באמצע ואחד בתחתית ליד הטרמינל השלילי של התא, כולם ממוקמים במרחק של 5 מ"מ מקצה סרט החימום (ראו איור 3A). השתמש בזוג התרמי ליד הטרמינל החיובי כדי לשלוט בקצב החימום באמצעות PID. לאחר התקנת thermocouples, לצלם תמונה של התא עם סרגל כדי לאשר את המרחק מן סרט חימום.
  5. ריתוך נקודתי של טבליות ניקל (0.1 מ"מ עובי, 5 מ"מ רוחב ו-100 מ"מ אורך) להדקים החיוביים והשליליים של התא למדידת מתח התא. ודאו שכרטיסיות הניקל מכוונות לכיוונים שונים כדי למנוע מהן לגעת זו בזו, וכתוצאה מכך נוצר קצר חשמלי חיצוני (איור 3B).
  6. טען את התא על מחזיק התא, כפי שמוצג באיור 3C.
  7. ודא שכל החוטים של מדידת המתח והזוגות התרמו-זוגיים מנותבים לכיוון הטרמינל השלילי של התא כדי להימנע מיציאות האוורור במסוף החיובי של התא.

3. הגדרת תא הבדיקה

  1. הפעל את נורית הדיודה פולטת האור (LED) בתא.
  2. מקמו את התא ואת מחזיק התא על מאזן המסה בתא (ראו איור 4). חבר את מחברי הזוג התרמי, סרט החימום ולשוניות הניקל לתקעים וחוטים המזינים את התא.
  3. הפעל את מאזן המסה. לטשטש את האיזון.
  4. הפעל את ספק הכוח עבור חיישן המימן.
  5. הפעל את בקר PID עבור סרט החימום. הגדר את פרופיל החימום (טמפרטורה: 200 ° C; זמן הרמפה: 17 דקות). חבר את הכבלים עבור בקר PID, רכישת נתונים ואיזון המסה למחשב נייד והפעל את תוכנית רכישת הנתונים במחשב הנייד.
  6. ודא שכל קריאות החיישנים המוצגות בתוכנית איסוף הנתונים סבירות: מתח התא קרוב לערך שנמדד בשלב 2.2, מתח וכניסת זרם לסרט החימום קרוב לאפס (מכיוון שהכוח עדיין לא דולק), קריאות תרמיות קרובות לטמפרטורת החדר (~ 25 מעלות צלזיוס), לחץ תא ~ 1 אטמוספירה וקריאת מסה ~ 0 גרם. לאחר בדיקת המדידות, כבה את תוכנית רכישת הנתונים.
  7. התאם את הגדרות מצלמת הווידאו הקדמית והצידית: איזון לבן ידני (מכויל בתחילה באמצעות נייר לבן), מיקוד ידני (קבוע על פני התא ליד המסוף החיובי), חשיפה אוטומטית, IRIS אוטומטי ומהירות תריס אוטומטי. ודא שסוללת מצלמת הווידאו מלאה.
  8. מקם את מצלמת הווידאו הקדמית על חצובה מחוץ לתא (ראה איור 4). התחל להקליט במצלמת הווידאו הצדדית והנח אותה בתוך תיבת הגנה בחדר. בדוק את זווית מצלמת הווידאו הצידית ואת התצוגה. נעל את תיבת ההגנה.
  9. בדוק שוב אם יש פריטים מסוכנים או מיותרים בתוך התא ואם דילגו על כל השלבים המפורטים לעיל.
  10. סגור את התא וודא שכל הברגים על לוחות הכיסוי מהודקים היטב (למשל, באמצעות מפתח פגיעה).
  11. השתמש במשאבת הוואקום או הסרעפת כדי לבצע בדיקת נזילה. בדוק שוב שכל השסתומים, לוחות הכיסוי וחלונות התצפית מהודקים היטב.
    הערה: אם הלחץ יורד לאט או לא יורד, יש נזילות איפשהו.
  12. שנה את כניסת FTIR מאוויר הסביבה לתא.
  13. חבר את קו החזרת FTIR לתא (ראה איור 2).

4. בריחה תרמית וניסוי אש

  1. הגדר את בקר ה-PID למצב השריית כבש.
  2. כבו את האור בחדר ואת נורת ה-LED בחדר.
  3. התחל את הקלטת מצלמת הווידאו בתצוגה הקדמית. השתמש במצלמה כדי להקליט את הפעולות בשלבים 4.4 ו- 4.5 לצורך סנכרון זמן של כל הנתונים שנאספו (נתוני חיישן, קריאות FTIR וסרטונים) לאחר הניסויים.
  4. התחל את הקלטת הנתונים בתוכנית רכישת הנתונים במחשב הנייד.
  5. הפעל את מצב השריית הרמפה PID ב- 10 שניות בטיימר תוכנית רכישת הנתונים. הפעל את תאורת ה- LED התאית. התחל את הקלטת FTIR.
  6. מקם את מצלמת הווידאו הקדמית על החצובה והמשך להקליט את הניסוי.
  7. עבור לחדר אחר והמשך לעקוב אחר לוח רכישת הנתונים במחשב הנייד באמצעות תוכנית שולחן עבודה הנשלטת מרחוק. שים לב שצעד זה ננקט ליתר זהירות ואינו נדרש. מכיוון שהניסויים כלואים במלואם בתא הסביבתי, הסיכון לאנשי הצוות שמסביב הוא מינימלי.
  8. אם אתם נמצאים באותו חדר שבו נמצא התא, יש ללבוש ציוד מגן אישי (PPE) מתאים במהלך כל תקופת הבדיקה (לדוגמה, כפפות, מכונת הנשמה P100, משקפי מגן ומעיל מעבדה עמיד באש).

5. סיום הניסוי

  1. כאשר מתרחשת בריחה תרמית (כלומר, קריאות תרמיות מראות קפיצות פתאומיות) או לאחר שבקר ה-PID שמר על טמפרטורת התא ב-200°C למשך 60 דקות (המוקדם מביניהם), כבה את החשמל לסרט החימום והגדר את בקר ה-PID למצב המתנה.
  2. המתן עד שכל קריאות התרמוזוג ירדו לטמפרטורת החדר (<50 מעלות צלזיוס). שימו לב שתהליך הקירור של תא בודד יכול להימשך כ-30 דקות.
  3. עצור את תוכנית רכישת הנתונים במחשב הנייד, מדידת FTIR והקלטת וידאו.

6. כיבוי מנתח הגז FTIR

  1. בצע את הליך הכיבוי של FTIR המתועד במדריך היצרן, "FTIR ו- PAS Pro עבור הליך ההפעלה הסטנדרטי של תא צפיפות עשן FTT", גרסה 3.1.
  2. נקה את מנתח הגז FTIR בחנקן כדי לנקות את הצינור והאנלייזר למשך ~ 15 דקות. ודא כי קצב הזרימה של N2 לאנלייזר גז FTIR הוא 150-250 סמ"ק / דקה.
  3. בעת ניקוי מנתח הגז, העבר את תוצאות ה- FTIR למקל זיכרון USB.
  4. לאחר הטיהור, כבה את מנתח הגז.
  5. יש ללבוש ציוד הגנה אישי מתאים, כולל זוג כפפות מבודדות חום, ולהסיר את המסנן ביחידת הפילטר/שסתום המחוממת. היזהר מאוד, מכיוון שיחידת המסנן/שסתום יכולה להיות חמה מאוד.
  6. נקה את הפילטר שהוסר עם אמבטיה קולית של פתרון ניקוי.

7. ניקוי תא ואיסוף נתונים

  1. לפני הליך שאיבת האבק לניקוי התא, בדוק אם קו הדגימה (כניסה) FTIR (המחובר לתא) סגור או פתוח לאוויר הסביבה. עבור מודל אנלייזר הגז המוצג במחקר זה, בחר Ambient Air בתוכנת PAS Pro או כבה את FTIR לחלוטין. אי ביצוע פעולה זו גורם נזק ל- FTIR.
  2. ודאו שמסנן פחמן מותקן בין משאבת הסרעפת העמידה בפני כימיקלים (משאבה 1 באיור 2) לבין התא. סמן את מספר השימושים במסנן והחלף אותו בחדש כל ~10-15 בדיקות.
  3. פתח את שסתום 1 כדי להתכונן לשאיבה חלקית של התא באמצעות משאבת הסרעפת העמידה בפני כימיקלים.
  4. הפעל את משאבת הסרעפת עד שלחץ התא יורד ל- P1 = 9.7 psia (כלומר, לחץ מד -5).
  5. כבה את משאבת הסרעפת וסגור את שסתום 1.
  6. פתח את שסתום 3 (ראה איור 4) כדי למלא את התא באוויר הסביבה.
  7. סגור את שסתום 3 כאשר לחץ התא מתאושש ללחץ הסביבה, P∞.
  8. חזור על הליך השאיבה החלקית (שלבים 7.3-7.7) חמש פעמים. באמצעות זה, אחוז גז הפליטה בתא צריך לרדת ל (P 1/P∞)5 = 12.5%.
  9. פתח את שסתום 2 כדי להתכונן לשאיבה מלאה של התא באמצעות משאבת הוואקום (משאבה 2 באיור 2).
  10. הפעל את משאבת הוואקום עד שלחץ התא יורד ל - P2 = 4.7 psia (או לחץ מד -10 psia).
  11. כבה את המשאבה וסגור את שסתום 2.
  12. פתח את שסתום 3 כדי למלא את התא באוויר הסביבה עד שלחץ התא יתאושש ללחץ הסביבה, P∞.
  13. חזור על הליך השאיבה המלא (שלבים 7.9-7.12) פעמיים.
    הערה: לאחר הליכי שאיבה חלקיים ומלאים, אחוז גז הפליטה בתא צריך להיות נמוך מ -1.3%.
  14. פתח את החדר ואחזר את מצלמת הווידאו ואת התא.
  15. כבו את מאזן המסה.
  16. השתמשו במגבת נייר רטובה כדי לנקות את פנים החדר (למשל, הסירו את כל הלכלוך ונגבו את הדפנות הפנימיות של החדר).
  17. צלם תמונות לפני, במהלך ואחרי הורדת התא ממחזיק התא.
  18. לשקול את התא ולרשום את המסה שלאחר הבדיקה של התא.
  19. אחזר את כל הנתונים שהוקלטו (קריאות תרמיות, מתח תא, מתח סרט חימום, זרם, לחץ תא ומדידת מסת תא) מהמחשב הנייד ומהקלטות הווידאו משני מצלמות הווידיאו.
  20. שלב את הסרטונים שנאספו באמצעות תוכנה לעריכת וידאו. תעד את זמן ההתחלה של האירועים העיקריים, כגון אוורור תאים, בריחה תרמית ואש. שמור את הסרטון המשולב בפורמט הרצוי (למשל, mp4 או avi).
  21. לאחר עיבוד הנתונים שנאספו וליצור מגרשים כדי לדמיין את התפתחות הזמן של כל המדידות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

סרטונים המייצגים תהליכי בריחה תרמית טיפוסיים עם וללא שריפות כלולים בקובץ משלים 1 ובקובץ משלים 2, בהתאמה. אירועי מפתח מתוארים באיור 5. כאשר טמפרטורת התא עולה (ל~110-130 מעלות צלזיוס), התא מתחיל להתנפח, מה שמעיד על הצטברות הלחץ הפנימי (הנגרם על ידי אידוי אלקטרוליטים והתפשטות תרמית של גזים בתוך התא2). לאחר מכן נפתח פתח פתח האוורור ושחרור גז האוורור (איורים 5A ו-5B, בהתאמה). תהליך האוורור ההדרגתי נמשך מספר דקות. לאחר מכן, התא מתחיל להתאוורר בשפע (איור 5C), ומתרחשת בריחה תרמית (איור 5D). אלה קורים ללא קשר ל- SOC. ברמות SOC גבוהות יותר (למשל, 75% ו-100%), ניצוצות (איור 5D), אש (איור 5E) וגירוש תכולת תאים (ראו תמונות לאחר הבדיקה באיור 5F,G) נצפים גם במהלך בריחה תרמית ולאחריה. ברמות SOC נמוכות יותר (למשל, 30% ו-50%), התפרצות אלקטרוליטים עם עשן כבד נצפית ללא ניצוצות או שריפות. שים לב שבהתאם לתופעות המעניינות, יש לבחור בקפידה את הגדרות המצלמה / מצלמת הווידאו ואת תאורת LED הרקע. באיור 5A, מצלמת הווידיאו מתמקדת בפתח האוורור, ותאורת הרקע הלבנה הבהירה נבחרת כדי ללכוד את תופעת רתיחת האלקטרוליטים בתחילת תהליך האוורור. אם העניין הוא באש הגזית, מומלץ להתאים אוטומטית הגדרות מצלמת וידאו, אור LED ירוק עמום יותר ורקע כהה.

מדידות מייצגות משורטטות באיור 6, עם אירועי מפתח המסומנים בקווי מקף אנכיים. חלקות אלה מיועדות לבדיקה שבה מתרחשת שריפה (ב-75% SOC, כפי שמוצג בקובץ משלים 1). איור 6A מראה שטמפרטורת התא גבוהה יותר במיקום האמצעי מאשר בחלק העליון (ליד הטרמינל החיובי) והתחתון (ליד הטרמינל השלילי). הקריאה של הזוג התרמי במיקום העליון (המשמש לבקרת PID) מאשרת כי קצב חימום התא הוא בערך המיועד (כלומר, ~ 10 ° C / min או 0.167 ° C / s). שימו לב שקריאות הטמפרטורה מראות ירידה רגעית בתחילת אוורור התאים (אירוע 3). זאת בשל אובדן חום פתאומי עקב שחרור גזים דרך האוורור. כאשר מתרחשת בריחה תרמית, טמפרטורת התא מראה זינוק פתאומי. לאחר הבריחה התרמית, במיוחד במקרים בהם מתרחשת פליטת אש ותכולת תאים, הזוגות התרמו-זוגות עשויים להתנתק מפני השטח של התא ולכן לקרוא את טמפרטורות הגז במקום את טמפרטורות פני השטח של הסוללה. יש לנקוט משנה זהירות בעת פירוש הנתונים. יתר על כן, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת כדי לאשר כי thermocouples לא להתנתק במהלך הבדיקה.

כמו כן, מתח התא יורד לאפס (אירוע 2) לפני שמתרחשת בריחה תרמית (דקות לפני שהתא מתחיל להתאוורר במקרה המייצג שמוצג באיור 6A). זה ידוע כי הפירוק של שכבת אלקטרוליט מוצק interphase (SEI) מתחיל ב ~ 80-120 ° C ואת המפריד מתחיל להתיך ב 135-166 ° C2. פירוק רכיבים אלה מוביל לקצר חשמלי פנימי (ISC) בין שתי האלקטרודות, המלווה בפירוק אלקטרוליטים, ולאחר מכן בסופו של דבר, לבריחה תרמית של תא LIB. ירידת מתח התא היא האות הראשון של אירוע הכשל LIB. בהתאם לכימיה, לפורמט ולעיצוב של התא, כל אירוע כשל (למשל, נפילת מתח, אוורור, בריחה תרמית) עשוי להתרחש בזמנים שונים ובטמפרטורות תא שונות.

ניתן להסיק את שיעור אובדן המסה מנתוני אובדן המסה המתקבלים בהליך הבדיקה. אובדן המסה (מוצג באיור 6B) מצביע על שתי תקופות שחרור גזים נפרדות, האחת במהלך אוורור התאים והשנייה במהלך בריחה תרמית. אובדן המסה במהלך תקופת האוורור דומה (~ 3-4 גרם) בכלל נחשב SOC, בעוד אובדן המסה בבריחה תרמית גדל עם SOC. כמו כן, אובדן המסה בבריחה תרמית מסביר לא רק את הגז המאוורר, אלא גם את תכולת התאים הנפלטים ואת הרכיבים שנשרפים.

הריכוזים של מיני פחמימנים וגזים רעילים מוצגים באיור 6C-E. קומפוזיציות שונות נצפות במהלך תקופת האוורור והבריחה התרמית. כאשר גז הנביעה מתפזר על פני התא לאחר הכחדת האש, הריכוז של כל מין מתכנס לערך יציב.

הזרם המוקלט (I) והמתח (V) שסופקו לסרט החימום (מוצג באיור 7A) יכולים לשמש לחישוב קלט החשמל לתא. קלט האנרגיה המצטבר והספק החימום מחושבים באופן הבא:

Equation 1 (1)

Equation 2 (2)

במבחן המייצג, עקומת האנרגיה המצטברת (E ב-Eq. 1; קו שחור מוצק באיור 7B) יכולה להתאים לקו רגרסיה פולינומי מסדר שני (קו כחול אחיד באיור 7B). באמצעות קו רגרסיה זה, נמצא כי קלט הכוח (dE/dt ב-Eq. 2) לתא גדל באופן ליניארי עם הזמן (קו מקף כחול באיור 7B).

Figure 1
איור 1: מנגנון ניסויי וסכמות. (A) המנגנון הניסיוני לניסויי בריחה תרמית מסוג LIB. (B) סכמות ההתקנה בתוך התא. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: סכמה של מערכת הזרימה עבור המנגנון. לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: הכנת תא 18650 . (A) שלב 2.4. (ב) שלב 2.5. (ג) שלב 2.6. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: התקנה של תא LIB בתוך התא עם איסוף נתונים. (A) שלב 3.2. (ב) שלב 3.5. (ג-ה) שלב 3.8. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: אירועי מפתח במהלך תהליך בריחה תרמי טיפוסי. (A) פתיחת פתח האוורור והרתחה של האלקטרוליט. (B) שחרור הדרגתי של גז האוורור. (C) שחרור אינטנסיבי של גז האוורור לפני בריחה תרמית. (ד) תחילת הבריחה התרמית. (ה) אש. (פ-ג) תוכן התא שנפלט נצפה במהלך הבדיקה שלאחר הבדיקה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: נתונים מייצגים שהתקבלו עבור תא גלילי 18650 ב-75% SOC. (A) טמפרטורת התא. (ב) אובדן המוני. (ג-ה) ריכוזים של מיני פחמימנים וגזים רעילים עיקריים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: נתונים מייצגים עבור קלט החשמל של סרט החימום. (A) מתח וזרם המסופקים לסרט החימום. (ב) אנרגיה והספק מחושבים המסופקים לסרט החימום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קובץ משלים 1: סרטון של תהליך הבריחה התרמית של תא 18650 ב-75% SOC. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2: וידאו של תהליך הבריחה התרמית של תא 18650 ב 50% SOC. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השלבים הקריטיים ביותר בפרוטוקול הם אלה הנוגעים לגזים הרעילים המשתחררים בבריחה התרמית של LIB. בדיקת הדליפה בשלב 3.11 צריכה להתבצע בזהירות כדי להבטיח שהגזים הרעילים כלואים בתא במהלך הניסויים. נהלי ניקוי הגזים התא (שלבים 7.1-7.14) חייבים להיעשות כראוי גם כדי להפחית את הסיכון מהגזים הרעילים. גזים רעילים עשויים להוות רק חלק קטן מגז הנביעה במהלך בריחה תרמית של LIB. עם זאת, אפילו ריכוזים נמוכים מאוד של כמה גזים רעילים מהווים איום גדול על בריאות האדם. מגבלות חשיפה תעסוקתית של 8 שעות של אקרוליין ופורמלדהיד המוטלות על ידי מינהל הבטיחות והבריאות התעסוקתית (OSHA) הן 0.1 ו- 0.75 ppm, בהתאמה, שהן נמוכות משמעותית מהערכים שנמדדו באמצעות תא 600 L (ראה איור 6E). הדבר מדגיש את החשיבות של תא אטום וחבישת מסכה מתאימה במהלך כל הבחינה. זה גם מדגיש עוד יותר את הצורך בשיטת בדיקה, כמו זו שהוצגה כאן, לאפיון שחרור גזים רעילים עבור LIBs.

שלבים קריטיים אחרים מתייחסים לסנכרון הזמן בין מדידות חיישנים, קריאות FTIR וסרטוני מצלמת וידיאו. בשלבי פרוטוקול 4.3-4.5, הקלטת וידאו והופעת נורית LED מספקים אמצעי לסנכרון כל הנתונים. אלא אם כן נעשה שימוש בשיטות סינכרון חלופיות, יש לבצע שלבים אלה בקפידה. רק עם נתונים מסונכרנים ניתן לקשר בין מיני גזי הנביעות ומאפייני האש לתנאי התא (למשל, טמפרטורה, אובדן מסה, מתח) ולאירועים שונים של הבריחה התרמית.

קיימות מגבלות לשיטת הבדיקה המוצגת. ראשית, הוא מוגבל לבריחה תרמית הנגרמת על ידי התעללות תרמית חיצונית. ייתכן שהתוצאות אינן מייצגות את תהליך הבריחה התרמית הנגרם על-ידי מצבי כשל אחרים בסוללה (לדוגמה, שימוש לרעה מכני, קצר חשמלי פנימי). שנית, קצב שחרור המסה של גז האוורור אינו נמדד ישירות. במקום זאת, הוא מוסק מאובדן המסה המתועד של התא. במהלך תהליך האוורור לפני הבריחה התרמית, קצב אובדן מסת התא יכול להתפרש כקצב שחרור המסה של גז הנביעה. עם זאת, במהלך בריחה תרמית, אובדן מסת התא אחראי לא רק על הגז המאוורר, אלא גם על תכולת התא הנפלט ורכיבים שנשרפים. בנוסף, שיטת בדיקה זו אינה מאפיינת עליית לחץ בתא במהלך ואחרי מסלול תרמי LIB. מצד שני, לחץ מד התא מוגבל על ידי שסתום שחרור לחץ מטעמי בטיחות (ראה איור 2)

שיטת הניסוי המוצגת מספקת מסגרת לאפיון בריחה תרמית ושריפות של סוללות ליתיום-יון באמצעות מדידה באתרם של פרמטרים שונים בבדיקה אחת. הנתונים המפורטים שנפתרו בזמן מספקים גם פרמטרים אמפיריים לפיתוח מודלים מספריים. לדוגמה, קצב שחרור מסת גז הנביעה שהוסק מקריאת מסת התא וקריאות מיני הגז FTIR יכול להיות מיושם במודל דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) כתנאי גבול. זה מבטל את הצורך לדמות את האלקטרוכימיה של התא ומאפשר פחות הנחות, וכתוצאה מכך מודל כללי, חסכוני יותר מבחינה מספרית ומדויק לשריפות סוללות.

בעוד שרק הליך הבדיקה של תא גלילי מוצג במחקר הנוכחי, הליך זה יכול להיות מיושם על תאים בפורמטים שונים (למשל, פאוץ' או פריזמטי) וניתן להרחיב אותו בקלות כדי לבדוק התפשטות תרמית בורחת בין תאים מרובים בסוללה. כמו כן, ראוי לציין כי ריכוזי הגזים המתקבלים בתהליך הבריחה התרמית כוללים לא רק את גז האוורור אלא גם את תוצרי הבעירה במהלך שריפת הסוללה. אם העניין הוא על גז הנביעה שנוצר לפני ובמהלך הבריחה התרמית, יש לשקול סביבת תא אינרטי (למשל, ארגון או חנקן).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על ידי מכוני המחקר UL. כל תאי הסוללה בעבודה זו מותנים והוכנו במעבדתו של פרופ' כריס יואן באוניברסיטת קייס ווסטרן ריזרב (CWRU). תא הבדיקה מושאל ל-CWRU ממרכז המחקר גלן של נאס"א. קיבלנו תמיכה עצומה באנלייזר הגז FTIR מדוקטורנט לשעבר, ד"ר יומי מטסויאמה ב-CWRU, ותמיכה טכנית בחיישן H2 מג'ף טאקר, ברנדון וויקס ובריאן אנגל מחברת Amphenol Advanced Sensors. אנו מעריכים בכנות את התמיכה של Pushkal Kannan ו- Boyu Wang ב- CWRU. ברצוננו גם להכיר בדיונים הטכניים עם אלכסנדרה שרייבר מ-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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

פסילה גיליון 193
<em>ב Situ</em> ניתוח גזים ואפיון אש של תאי ליתיום-יון במהלך בריחה תרמית באמצעות תא סביבתי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter