Waiting
Login processing...

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

Engineering

In situ Gasanalyse og brandkarakterisering af lithium-ion-celler under termisk løb ved hjælp af et miljøkammer

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

Her beskriver vi en testprocedure udviklet til at karakterisere termisk løbsk og brande i lithium-ion-celler gennem in situ-målinger af forskellige parametre i et miljøkammer.

Abstract

Et eksperimentelt apparat og en standard driftsprocedure (SOP) er udviklet til at indsamle tidsopløste data om gassammensætninger og brandegenskaber under og posttermisk løb af lithium-ion-battericeller (LIB). En 18650 cylindrisk celle konditioneres til en ønsket ladningstilstand (SOC; 30%, 50%, 75% og 100%) før hvert eksperiment. Den konditionerede celle tvinges ind i en termisk løbsk af et elektrisk varmebånd med en konstant opvarmningshastighed (10 °C / min) i et miljøkammer (volumen: ~ 600 L). Kammeret er forbundet til en Fourier-transformerende infrarød (FTIR) gasanalysator til koncentrationsmålinger i realtid. To videokameraer bruges til at optage større begivenheder, såsom celleudluftning, termisk løbsk og den efterfølgende brændingsproces. Betingelserne for cellen, såsom overfladetemperatur, massetab og spænding, registreres også. Med de opnåede data kan cellepseudoegenskaber, udluftningsgassammensætninger og udluftningsmassehastighed udledes som funktioner af celletemperatur og celle SOC. Mens testproceduren er udviklet til en enkelt cylindrisk celle, kan den let udvides til at teste forskellige celleformater og studere brandudbredelse mellem flere celler. De indsamlede eksperimentelle data kan også bruges til udvikling af numeriske modeller for LIB-brande.

Introduction

I de sidste par årtier har lithium-ion-batterier (LIB'er) vundet popularitet og nydt godt af enorme teknologiske fremskridt. På grund af forskellige fordele (f.eks. Høj energitæthed, lav vedligeholdelse, lave selvafladnings- og opladningstider og lang levetid) er LIB blevet betragtet som en lovende energilagringsteknologi og anvendes i vid udstrækning i forskellige applikationer, såsom store energilagringssystemer (ESS'er), elektriske køretøjer (EV'er) og bærbare elektroniske enheder. Mens den globale efterspørgsel efter LIB-celler forventes at fordobles fra 725 GWh i 2020 til 1,500 GWh i 20301, har der været en betydelig stigning i brande og eksplosioner relateret til LIB'er i de senere år2. Disse ulykker viser de høje risici, der er forbundet med LIB'er, hvilket giver anledning til bekymring med hensyn til deres storstilede udnyttelse. For at afbøde disse bekymringer er det afgørende at få en grundig forståelse af processen med LIB termisk løb, der fører til brande.

Tidligere ulykker har afsløret, at LIB-celler fejler, når celleelektrokemien forstyrres af overophedning under unormale driftsforhold (såsom ekstern kortslutning, hurtig afladning, overopladning og fysisk skade) eller på grund af produktionsfejl og dårligt design 2,3,4. Disse begivenheder fører til nedbrydning af fast-elektrolytgrænsefladen (SEI), hvilket stimulerer stærkt eksoterme kemiske reaktioner mellem elektrodematerialer og elektrolytter. Når varmen, der produceres i disse reaktioner, overstiger den, der spredes, resulterer det i hurtig selvopvarmning af cellerne, også kendt som termisk løbsk. Den interne temperatur og det interne tryk kan fortsætte med at stige, indtil det opbyggede tryk får batteriet til at briste og frigive brandfarlige, giftige gasser ved høj hastighed. I en flercelle batterikonfiguration kan en termisk løbsk i en enkelt celle, hvis den ikke kontrolleres, føre til termisk løbsk udbredelse til andre celler og hændelser med brand og eksplosion på katastrofale niveauer, især i lukkede rum med begrænset ventilation. Dette udgør en betydelig trussel mod menneskers sikkerhed og strukturer.

I de sidste par årtier er der udført en række undersøgelser for at undersøge de termiske løbske reaktioner fra LIB'er, der fører til forbrænding af organiske elektrolytter inde i batteriet og frigivelse af brandfarlige gasser under forskellige opvarmningsforhold 2,5,6,7,8,9,10,11,12. For eksempel demonstrerede Jhu et al.10 den farlige karakter af ladede cylindriske LIB'er sammenlignet med uladede ved hjælp af et adiabatisk kalorimeter. Mange andre undersøgelser fokuserede på den termiske løbske opførsel af LIB'er ved forskellige ladningstilstande (SOC'er). For eksempel undersøgte Joshi et al.13 termisk løb af forskellige typer kommercielle LIB'er (cylindriske og pose) ved forskellige SOC'er. Det blev bemærket, at celler ved højere SOC'er havde en større chance for at gennemgå termisk løb sammenlignet med dem ved lavere SOC'er. Derudover varierede den minimale SOC for en termisk løbsk med celleformaterne og kemikalierne. Roth et al.11 testede cylindriske LIB'er i et accelererende hastighedskalorimeter (ARC) og observerede, at efterhånden som SOC steg, faldt begyndelsestemperaturen for termisk løb, og accelerationshastigheden steg. Golubkov et al.12 udviklede en specialdesignet teststand og viste, at den maksimale overfladetemperatur for cylindriske LIB'er kunne være så høj som 850 °C. Ribière et al.14 brugte et brandudbredelsesapparat til at undersøge de brandinducerede farer ved posens LIB'er og bemærkede, at varmefrigivelseshastigheden (HRR) og giftig gasproduktion varierede betydeligt med cellens SOC. Chen et al.15 studerede brandadfærden hos to forskellige 18650 LIB'er (LiCoO2 og LiFePO4) ved forskellige SOC'er, ved hjælp af et specialfremstillet in situ-kalorimeter. HRR, massetab og maksimal overfladetemperatur viste sig at stige med SOC. Det blev også demonstreret, at eksplosionsrisikoen var højere for en fuldt opladet lithiumkoboltoxid (LiCoO 2) katode 18650-celle sammenlignet med en lithiumjernphosphat (LiFePO2) katode 18650-celle. Fu et al.16 og Quang et al.17 udførte brandeksperimenter på LIB'er (ved 0% -100% SOC'er) ved hjælp af et keglekalorimeter. Det blev observeret, at LIB'er ved en højere SOC resulterede i højere brandfare på grund af kortere tid til antændelse og eksplosion, højere HRR, højere overfladetemperatur og højere CO og CO2 -emissioner.

For at opsummere har tidligere undersøgelser ved hjælp af forskellige kalorimetre18,19 (ARC, adiabatisk kalorimetri, C80-kalorimetri og modificeret bombekalorimetri) givet rigelige data om de elektrokemiske og termiske processer forbundet med LIB termisk løb og brande (f.eks. HRR, sammensætninger af de udluftede gasser) og deres afhængigheder af SOC, batterikemi og indfaldende varmeflux2,3, 7,20. Imidlertid blev de fleste af disse metoder oprindeligt designet til konventionelle faste brændbare stoffer (f.eks. celluloseprøver, plast) og giver begrænset information, når de anvendes på LIB-brande. Mens nogle tidligere tests målte HRR og den samlede energi, der blev genereret fra kemiske reaktioner, blev de kinetiske aspekter af posttermiske løbske brande ikke behandlet fuldt ud.

Farernes alvor under termisk løb afhænger hovedsagelig af arten og sammensætningen af de frigivne gasser 2,5. Derfor er det vigtigt at karakterisere de frigivne gasser, udluftningshastigheden og deres afhængighed af SOC. Nogle tidligere undersøgelser målte udluftningsgassammensætningerne af LIB termisk løb i et inert miljø (f.eks. i nitrogen eller argon)12,21,22; Brandkomponenten under termisk løb blev udelukket. Derudover blev disse målinger for det meste udført efter eksperimenter (i stedet for in situ). Udviklingen af udluftningsgassammensætningen under og efter termisk løb, især dem, der involverer brande og giftige gasser, forblev underudforsket.

Det er kendt, at termisk løb forstyrrer batteriets elektrokemi og påvirker cellespændingen og temperaturen. En omfattende test til karakterisering af LIB's termiske løbsproces bør derfor give samtidig måling af temperatur, masse, spænding og udluftede gasser (hastighed og sammensætning). Dette er ikke opnået i et enkelt setup i de tidligere undersøgelser. I denne undersøgelse udvikles et nyt apparat og testprotokol til at indsamle tidsopløste data om celleinformation, gassammensætninger og brandegenskaber under og posttermisk løb af LIB-celler23. Testapparaturet er vist i figur 1A. Et stort (~ 600 L) miljøkammer bruges til at begrænse den termiske løbske begivenhed. Kammeret er udstyret med en overtryksventil (med et indstillet måletryk ved 0,5 psig) for at forhindre trykstigning i kammeret. En Fourier-transformerende infrarød (FTIR) gasanalysator er forbundet til kammeret til in situ-gasprøveudtagning under hele testen. Det registrerer 21 gasarter (H 2 O, CO 2, CO, NO, NO2, N 2 O, SO 2, HCI, HCN, HBr, HF, NH 3, C 2 H 4, C 2 H 6, C 3 H8, C 6 H14, CH 4, HCHO, C 6 H 6O,C 3H 4 O og COF 2). FTIR-samplingfrekvensen er 0,25 Hz. Derudover er en enkeltstående brintsensor installeret inde i kammeret nær FTIR-prøvetagningsporten til registrering afH2-koncentrationen. To pumper (en 1,3 cfm kemikaliebestandig membranpumpe og en 0,5 hk vakuumpumpe) er installeret i kammerets udstødningsledning. Efter hvert forsøg følges en kammerrensningsprocedure for at filtrere og pumpe kammergassen direkte til bygningens udstødningsledning.

I hvert forsøg opstilles cellen inde i kammeret i en prøveholder (figur 1B). Termisk løb udløses af et proportional-integral-derivat (PID) styret elektrisk varmebånd ved en konstant opvarmningshastighed på 10 °C / min. Celleoverfladetemperaturer registreres af termoelementer tre forskellige steder langs cellens længde. Massetabet af cellen måles ved en massebalance. Kammertrykket overvåges af en tryktransducer. Cellespændingen og strømindgangen (spænding og strøm) til varmebåndet registreres også. Alle sensoraflæsninger (termoelementer, massetab, cellespænding, varmebåndstrøm og spænding) indsamles af et brugerdefineret dataindsamlingsprogram med en hastighed på 2 Hz. Endelig bruges to videokameraer (1920 pixel x 1080 pixel opløsning) til at registrere hele processen med eksperimenterne fra to forskellige vinkler.

Formålet med at udvikle denne nye testmetode er todelt: 1) at karakterisere røg- og brandadfærd forbundet med LIB termisk løbsk og 2) at levere tidsopløste eksperimentelle data, der muliggør udvikling af numeriske modeller med høj validitet for batteribrande. Det langsigtede mål er at fremme forståelsen af, hvordan termisk løbsk formerer sig mellem celler i en batteripakke, og hvordan en batteribrand skaleres op, når man går fra enkeltceller til flercellebatterier. I sidste ende vil dette hjælpe med at forbedre retningslinjer og protokoller for sikker opbevaring og transport af LIB'er.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Opstart af FTIR-gasanalysatoren

BEMÆRK: Procedurerne kan være forskellige for forskellige mærker og modeller af FTIR-gasanalysatoren. Følgende procedure er for den specifikke gasanalysator, der anvendes i dette arbejde.

  1. Installer et nyt filter eller et rent filter (dvs. et, der er blevet renset i et ultralydbad) i filteret/ventilenheden (se figur 1 og figur 2).
  2. Åbn ventilen på nitrogencylinderen, der er tilsluttet gasanalysatoren (se figur 2). Nitrogenstrømningshastigheden justeres til 150-250 cc/min.
    BEMÆRK: Dette er for at forberede N2-rensningen under rengøring af gasanalysatoren før / efter test.
  3. Følg FTIR-opstartsproceduren beskrevet i producentens manual, "FTIR og PAS Pro til FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure"24, version 3.1.
    BEMÆRK: Mens FTIR kører, holdes gasledningen mellem FTIR og kammeret ( se figur 2) ved 180 °C for at forhindre gaskondensering. Pas på ikke at røre ved den opvarmede ledning og filteret/ventilenheden.

2. Celle forberedelse

  1. Registrer dato, klokkeslæt, SOC, testdeltagere, testnummer, celleproducent, celleformat og cellemodelnummer på et eksperimentlogark.
  2. Mål og registrer cellens startspænding og masse (med en præcision på 0,01 g) på eksperimentets logark.
  3. Fastgør varmebånd (1 ind x 2 tommer, 20 W / i2) til midten af cellen, og tag et billede af cellen med varmebåndet. Sørg for, at varmebåndets ledninger peger mod den negative side af cellen (se figur 3).
  4. Fastgør tre termoelementer (K-type med en sondediameter på 0,02 tommer, længde på 12 tommer) til celleoverfladen ved hjælp af tape med høj temperatur, en nær den positive terminal, en i midten og en i bunden nær cellens negative terminal, alle placeret 5 mm væk fra kanten af varmebåndet (se figur 3A). Brug termoelementet nær den positive terminal til at styre opvarmningshastigheden gennem PID. Efter installation af termoelementerne skal du tage et billede af cellen med en lineal for at bekræfte afstanden fra varmebåndet.
  5. Punktsvejsede nikkeltappe (0,1 mm i tykkelse, 5 mm i bredden og 100 mm i længden) til cellens positive og negative terminaler til måling af cellespænding. Sørg for, at nikkeltapperne vender i forskellige retninger for at forhindre dem i at røre hinanden, hvilket resulterer i en ekstern kortslutning (figur 3B).
  6. Læg cellen på celleholderen som vist i figur 3C.
  7. Bekræft, at alle ledninger i spændingsmålingen og termoelementerne føres mod cellens negative terminal for at undgå udluftningsportene på cellens positive terminal.

3. Opsætning af testkammer

  1. Tænd lysdiodelyset (LED) i kammeret.
  2. Placer cellen og celleholderen på massebalancen i kammeret (se figur 4). Tilslut termoelementstik, varmebånd og nikkeltappe til kammergennemføringsstik og ledninger.
  3. Tænd for massebalancen. Tare balancen.
  4. Tænd for strømforsyningen til brintsensoren.
  5. Tænd PID-controlleren til varmebåndet. Indstil varmeprofilen (temperatur: 200 °C; rampetid: 17 min). Tilslut kablerne til PID-controlleren, dataindsamling og massebalancen til en bærbar computer, og start dataindsamlingsprogrammet på den bærbare computer.
  6. Sørg for, at alle sensoraflæsninger, der vises i dataindsamlingsprogrammet, er rimelige: cellespænding tæt på den værdi, der måles i trin 2.2, spænding og strømindgang til varmebåndet tæt på nul (da strømmen ikke er tændt endnu), termoelementaflæsninger tæt på stuetemperatur (~ 25 ° C), kammertryk ~ 1 atm og masseaflæsning ~ 0 g. Når du har kontrolleret målingerne, skal du slukke for dataindsamlingsprogrammet.
  7. Juster indstillingerne for videokameraet forfra og fra siden: manuel hvidbalance (kalibreret indledningsvis ved hjælp af et hvidt papir), manuel fokus (fastgjort på celleoverfladen nær den positive terminal), automatisk eksponering, automatisk IRIS og automatisk lukkerhastighed. Sørg for, at videokameraets batteri er fuldt.
  8. Placer videokameraet forfra på et stativ uden for kammeret (se figur 4). Start optagelsen på videokameraet, og placer det i en beskyttelsesboks i kammeret. Kontroller videokameraets vinkel og visning fra siden. Lås beskyttelsesboksen.
  9. Dobbelttjek, om der er farlige eller unødvendige genstande inde i kammeret, og om nogen af ovenstående trin er blevet sprunget over.
  10. Luk kammeret, og sørg for, at alle skruerne på dækpladerne er tæt fastgjort (f.eks. ved hjælp af en slagnøgle).
  11. Brug vakuum- eller membranpumpen til at foretage en lækagekontrol. Dobbelttjek, at alle ventiler, dækplader og observationsvinduer er sikkert fastgjort.
    BEMÆRK: Hvis trykket falder langsomt eller ikke falder, er der lækager et eller andet sted.
  12. Skift FTIR-indtaget fra den omgivende luft til kammeret.
  13. Tilslut FTIR-returledningen til kammeret (se figur 2).

4. Termisk løbsk og brandeksperiment

  1. Indstil PID-controlleren til rampe-blødgøringstilstand.
  2. Sluk lyset i rummet og LED-lyset i kammeret.
  3. Start videokameraoptagelsen. Brug kameraet til at optage handlingerne i trin 4.4 og 4.5 til tidssynkronisering af alle de indsamlede data (sensordata, FTIR-aflæsninger og videoer) efter eksperimenterne.
  4. Start dataoptagelsen i dataindsamlingsprogrammet på den bærbare computer.
  5. Start PID-rampe-blødgøringstilstand ved 10 sekunder på dataopsamlingsprogramtimeren. Tænd kammerets LED-lys. Start FTIR-optagelsen.
  6. Placer videokameraet på stativet, og fortsæt optagelsen af eksperimentet.
  7. Flyt til et andet rum, og fortsæt med at overvåge dataindsamlingspanelet på den bærbare computer via et fjernstyret skrivebordsprogram. Bemærk, at dette trin er taget for ekstra forsigtighed og ikke er påkrævet. Da forsøgene er helt indesluttet i miljøkammeret, er risikoen for det omgivende personale minimal.
  8. Hvis det er til stede i samme rum som kammeret, skal du bære passende personlige værnemidler (PPE) i hele testperioden (f.eks. handsker, P100-åndedrætsværn, sikkerhedsbriller og brandsikker laboratoriefrakke).

5. Afslutning af forsøget

  1. Når termisk løb opstår (dvs. termoelementaflæsninger viser pludselige spidser), eller efter at PID-controlleren har opretholdt celletemperaturen på 200 ° C i 60 minutter (alt efter hvad der sker først), skal du slukke for strømmen til varmebåndet og indstille PID-controlleren til standbytilstand.
  2. Vent på, at alle termoelementaflæsningerne falder til stuetemperatur (<50 °C). Bemærk, at køleprocessen for en enkelt celle kan tage ca. 30 minutter.
  3. Stop dataindsamlingsprogrammet på den bærbare computer, FTIR-måling og videooptagelse.

6. Slukning af FTIR-gasanalysatoren

  1. Følg FTIR-slukningsproceduren, der er dokumenteret i producentens manual, "FTIR og PAS Pro til FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure", version 3.1.
  2. Rens FTIR-gasanalysatoren med nitrogen for at rense røret og analysatoren i ~15 min. Sørg for, at strømningshastigheden forN2 til FTIR-gasanalysatoren er 150-250 cc/min.
  3. Mens du renser gasanalysatoren, skal du overføre FTIR-resultaterne til en USB-hukommelse.
  4. Efter rensning skal du slukke for gasanalysatoren.
  5. Brug passende personlige værnemidler, herunder et par varmeisolerende handsker, og fjern filteret i den opvarmede filter/ventilenhed. Vær yderst forsigtig, da filteret/ventilenheden kan være meget varm.
  6. Rengør det fjernede filter med et ultralydbad af en rengøringsopløsning.

7. Oprydning af kammer og dataindsamling

  1. Før støvsugningsproceduren for kammerrensning skal det kontrolleres, om FTIR-prøveudtagningsledningen (som er forbundet med kammeret) er lukket eller åben for den omgivende luft. For den gasanalysatormodel, der præsenteres i denne undersøgelse, skal du vælge Ambient Air på PAS Pro-softwaren eller lukke FTIR helt. Undladelse af at gøre dette forårsager skade på FTIR.
  2. Sørg for, at der er installeret et kulfilter mellem den kemikalieresistente membranpumpe (pumpe 1 i figur 2) og kammeret. Marker antallet af anvendelser på filteret, og udskift det med et nyt hver ~ 10-15 test.
  3. Åbn ventil 1 for at forberede delvis støvsugning af kammeret ved hjælp af den kemikalieresistente membranpumpe.
  4. Kør membranpumpen, indtil kammertrykket falder til P1 = 9,7 psia (dvs. -5 gauge tryk).
  5. Sluk membranpumpen, og luk ventil 1.
  6. Åbn ventil 3 (se figur 4) for at fylde kammeret med omgivende luft.
  7. Luk ventil 3, når kammertrykket genoprettes til det omgivende tryk, P∞.
  8. Proceduren for delvis støvsugning (trin 7.3-7.7) gentages fem gange. Gennem dette skal udstødningsgasprocenten i kammeret falde til (P 1 / P∞)5 = 12,5%.
  9. Åbn ventil 2 for at forberede fuld støvsugning af kammeret ved hjælp af vakuumpumpen (pumpe 2 i figur 2).
  10. Kør vakuumpumpen, indtil kammertrykket falder til P2 = 4,7 psia (eller -10 psia gauge tryk).
  11. Sluk for pumpen, og luk ventil 2.
  12. Åbn ventil 3 for at fylde kammeret med omgivende luft, indtil kammertrykket vender tilbage til det omgivende tryk, P∞.
  13. Gentag hele støvsugningsproceduren (trin 7.9-7.12) to gange.
    BEMÆRK: Efter de delvise og komplette støvsugningsprocedurer skal udstødningsgasprocenten i kammeret være lavere end 1,3%.
  14. Åbn kammeret, og hent videokameraet og cellen.
  15. Sluk for massebalancen.
  16. Brug et vådt køkkenrulle til at rengøre kammerets indre (fjern f.eks. alt snavs og tør kammerets indre vægge af).
  17. Tag billeder før, under og efter at have taget cellen af celleholderen.
  18. Vej cellen, og registrer cellens masse efter testen.
  19. Hent alle de optagede data (termoelementaflæsninger, cellespænding, varmebåndspænding, strøm, kammertryk og cellemassemåling) fra den bærbare computer og videooptagelserne fra de to videokameraer.
  20. Kombiner de indsamlede videoer ved hjælp af en videoredigeringssoftware. Registrer starttidspunktet for de større begivenheder, såsom celleudluftning, termisk løb og brand. Gem den kombinerede video i et ønsket format (f.eks. mp4 eller avi).
  21. Efterbehandle de indsamlede data og generere plots for at visualisere tidsudviklingen for alle målinger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Videoer, der repræsenterer typiske termiske løbske processer med og uden brande, er inkluderet i henholdsvis supplerende fil 1 og supplerende fil 2. De vigtigste begivenheder er vist i figur 5. Når celletemperaturen hæves (til ~ 110-130 ° C), begynder cellen hævelse, hvilket indikerer opbygningen af det indre tryk (forårsaget af fordampning af elektrolytter og termisk ekspansion af gasser inde i cellen2). Dette efterfølges af åbningen af udluftningsporten og frigivelsen af udluftningsgassen (henholdsvis figur 5A og 5B). Den gradvise udluftningsproces fortsætter i et par minutter. Derefter begynder cellen at udlufte voldsomt (figur 5C), og der opstår en termisk løb (figur 5D). Disse sker uanset SOC. Ved højere SOC'er (f.eks. 75% og 100%) observeres gnister (figur 5D), ild (figur 5E) og udvisning af celleindhold (se billeder efter test i figur 5F, G) også under og efter termisk løb. Ved lavere SOC'er (f.eks. 30% og 50%) observeres udbruddet af elektrolytter med kraftig røg uden gnister eller brande. Bemærk, at afhængigt af fænomenerne af interesse skal kamera-/videokameraindstillingerne og baggrunds-LED-lyset vælges omhyggeligt. I figur 5A er videokameraet fokuseret på udluftningsporten, og det lyse hvide baggrundslys er valgt til at fange elektrolytkogefænomenet ved begyndelsen af udluftningsprocessen. Hvis interessen er i gasform, anbefales automatisk justerede videokameraindstillinger, et svagere grønt LED-lys og en mørk baggrund.

Repræsentative målinger er afbildet i figur 6 med nøglehændelser markeret med lodrette streglinjer. Disse områder er til en test, hvor der opstår brand (ved 75% SOC, vist i supplerende fil 1). Figur 6A viser, at celletemperaturen er højere i midten end øverst (nær den positive terminal) og nederst (nær den negative terminal). Aflæsningen af termoelementet med topplacering (som bruges til PID-styringen) bekræfter, at celleopvarmningshastigheden er på den tilsigtede værdi (dvs. ~ 10 ° C / min eller 0,167 ° C / s). Bemærk, at temperaturaflæsningerne viser et øjeblikkeligt dyk ved begyndelsen af celleudluftning (hændelse 3). Dette skyldes det pludselige varmetab på grund af frigivelse af gasser gennem udluftningen. Når termisk løb opstår, viser celletemperaturen en pludselig stigning. Efter den termiske løb, især i tilfælde, hvor der opstår udstødning af ild og celleindhold, kan termoelementerne løsne sig fra celleoverfladen og dermed aflæse gastemperaturerne i stedet for batteriets overfladetemperaturer. Der skal udvises særlig forsigtighed ved fortolkning af dataene. Endvidere skal der lægges særlig vægt på at bekræfte, at termoelementerne ikke løsnes under testen.

Cellespændingen falder også til nul (begivenhed 2), før termisk løb opstår (minutter før cellen begynder at udlufte i det repræsentative tilfælde vist i figur 6A). Det er kendt, at nedbrydningen af det faste elektrolytinterfaselag (SEI) starter ved ~ 80-120 ° C, og separatoren begynder at smelte ved 135-166 ° C2. Nedbrydningen af disse komponenter fører til en intern kortslutning (ISC) mellem de to elektroder, ledsaget af elektrolytnedbrydning, og derefter til sidst den termiske løb af en LIB-celle. Cellespændingsfaldet er det første signal om LIB-fejlhændelsen. Afhængigt af cellens kemi, format og design kan hver fejlhændelse (f.eks. Spændingsfald, udluftning, termisk løbsk) forekomme på forskellige tidspunkter og ved forskellige celletemperaturer.

Massetabshastigheden kan udledes af de massetabsdata, der er opnået i testproceduren. Massetabet (vist i figur 6B) indikerer to forskellige gasfrigivelsesperioder, den ene under celleudluftning og den anden under termisk løb. Massetabet i udluftningsperioden er ens (~ 3-4 g) ved alle betragtede SOC'er, mens massetabet ved termisk løb stiger med SOC. Massetabet ved termisk løb tegner sig ikke kun for den udluftede gas, men også for det udstødte celleindhold og komponenter, der brænder væk.

Koncentrationerne af de vigtigste arter af carbonhydrider og giftige gasser er vist i figur 6C-E. Forskellige sammensætninger observeres i udluftningsperioden og termisk løbsk. Når udluftningsgassen spredes over kammeret efter brandslukning, konvergerer koncentrationen af hver art til en stabil værdi.

Den optagede strøm (I) og spænding (V), der leveres til varmebåndet (vist i figur 7A), kan bruges til at beregne effektindgangen til cellen. Kumuleret energitilførsel og varmeeffekt beregnes som følger:

Equation 1 (1)

Equation 2 (2)

I den repræsentative test kan den kumulative energikurve (E i ækv. 1; udfyldt sort linje i figur 7B) tilpasses af andenordens polynomiets regressionslinje (ubrudt blå linje i figur 7B). Ved hjælp af denne regressionslinje viser det sig, at effektindgangen (dE / dt i eq. 2) til cellen øges lineært med tiden (blå bindestreglinje i figur 7B).

Figure 1
Figur 1: Eksperimentelle apparater og skemaer . (A) Forsøgsapparatet til LIB termiske løbske eksperimenter. (B) Skemaerne over opsætningen inde i kammeret. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Skematisk oversigt over apparatets strømningssystem. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Forberedelse af en 18650-celle . (A) Trin 2.4. b) Trin 2.5. c) Trin 2.6. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Installation af LIB-cellen inde i kammeret med dataindsamling. a) Trin 3.2. b) Trin 3.5. (C-E) Trin 3.8. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Nøglehændelser under en typisk termisk løbsproces. (A) Åbning af udluftningsporten og kogning af elektrolytten. (B) Gradvis frigivelse af udluftningsgassen. (C) Intens frigivelse af udluftningsgassen før termisk løb. (D) Indtræden af termisk løb. e) brand. (F-G) Udslynget celleindhold observeret under inspektionen efter testen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Repræsentative data opnået for en 18650 cylindrisk celle ved 75% SOC. (A) Celletemperatur. (B) Massetab. (C-E) Koncentrationer af de vigtigste arter af carbonhydrider og giftige gasser. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Repræsentative data for varmebåndets effektindgang. (A) Spænding og strøm, der leveres til varmebåndet. (B) Beregnet energi og effekt, der leveres til varmebåndet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende fil 1: Video af den termiske løbsproces i 18650-cellen ved 75% SOC. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 2: Video af den termiske løbsproces i 18650-cellen ved 50% SOC. Klik her for at downloade denne fil.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De mest kritiske trin i protokollen er dem, der vedrører de giftige gasser, der frigives i LIB termisk løb. Lækagetesten i trin 3.11 skal udføres omhyggeligt for at sikre, at de giftige gasser er indesluttet i kammeret under forsøgene. Procedurerne for rensning af kammergas (trin 7.1-7.14) skal også udføres korrekt for at mindske faren fra de giftige gasser. Giftige gasser kan kun udgøre en lille brøkdel af udluftningsgassen under LIB termisk løb. Men selv meget lave koncentrationer af visse giftige gasser udgør en stor trussel mod menneskers sundhed. Erhvervsmæssige 8 timers eksponeringsgrænser for acrolein og formaldehyd pålagt af Occupational Safety and Health Administration (OSHA) er henholdsvis 0,1 og 0,75 ppm, hvilket er signifikant lavere end de målte værdier ved hjælp af 600 L-kammeret (se figur 6E). Dette understreger vigtigheden af at have et forseglet kammer og bære en passende maske under hele testen. Dette understreger også yderligere behovet for at have en testmetode, som den, der præsenteres her, til karakterisering af giftig gasfrigivelse for LIB'er.

Andre kritiske trin vedrører tidssynkronisering mellem sensormålinger, FTIR-aflæsninger og videokameravideoer. I protokoltrin 4.3-4.5 giver videooptagelse og begyndelsen af LED-lyset et middel til at synkronisere alle data. Medmindre der anvendes alternative synkroniseringsmetoder, skal disse trin følges nøje. Kun med synkroniserede data kan udluftningsgasarterne og brandegenskaberne korreleres til celleforholdene (f.eks. Temperatur, massetab, spænding) og til forskellige begivenheder i den termiske løb.

Der findes begrænsninger for den præsenterede testmetode. For det første er det begrænset til termisk løbsk forårsaget af eksternt termisk misbrug. Resultaterne repræsenterer muligvis ikke den termiske løbske proces forårsaget af andre batterisvigttilstande (f.eks. mekanisk misbrug, intern kortslutning). For det andet måles udluftningsgassens massefrigivelseshastighed ikke direkte. I stedet udledes det af det registrerede massetab af cellen. Under udluftningsprocessen før termisk løb kan cellemassetabshastigheden fortolkes som massefrigivelseshastigheden for udluftningsgassen. Under termisk løb tegner cellemassetabet sig imidlertid ikke kun for den udluftede gas, men også for det udstødte celleindhold og komponenter, der brænder væk. Derudover karakteriserer denne testmetode ikke trykstigning i kammeret under og efter LIB termisk bane. På den anden side er kammermålertrykket begrænset af en overtryksventil af sikkerhedshensyn (se figur 2)

Den præsenterede eksperimentelle metode giver en ramme til karakterisering af termisk løb og brande af lithium-ion-batterier gennem in situ-måling af forskellige parametre i en enkelt test. De detaljerede tidsopløste data giver også empiriske parametre til udvikling af numeriske modeller. For eksempel kan udluftningsgasmassefrigivelseshastigheden udledt af cellemasseaflæsningen og FTIR-gasartaflæsningerne implementeres i en CFD-model (Computational Fluid Dynamics) som grænsebetingelser. Dette fjerner behovet for at simulere cellens elektrokemi og gør det muligt at foretage færre antagelser, hvilket resulterer i en mere generel, numerisk omkostningseffektiv og præcis model for batteribrande.

Mens kun testproceduren for en cylindrisk celle præsenteres i den aktuelle undersøgelse, kan denne procedure anvendes på celler i forskellige formater (f.eks. Pose eller prismatisk) og kan let udvides til at teste termisk løbsk formering mellem flere celler i et batteri. Det er også værd at bemærke, at de gaskoncentrationer, der opnås under den termiske løbsproces, ikke kun inkluderer udluftningsgassen, men også forbrændingsprodukterne under batteribranden. Hvis interessen er på den udluftningsgas, der genereres før og under den termiske løb, bør et inert kammermiljø (f.eks. argon eller nitrogen) overvejes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter at oplyse.

Acknowledgments

Denne undersøgelse støttes af UL Research Institutes. Alle battericeller i dette arbejde blev konditioneret og forberedt i professor Chris Yuans laboratorium ved Case Western Reserve University (CWRU). Testkammeret er udlånt til CWRU fra NASA Glenn Research Center. Vi modtog enorm støtte til FTIR-gasanalysatoren fra en tidligere ph.d.-studerende, Dr. Yumi Matsuyama ved CWRU, og teknisk support påH2-sensoren fra Jeff Tucker, Brandon Wicks og Brian Engle fra Amphenol Advanced Sensors. Vi sætter stor pris på støtten fra Pushkal Kannan og Boyu Wang hos CWRU. Vi vil også gerne anerkende de tekniske diskussioner med Alexandra Schraiber fra 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

Tilbagetrækning nr. 193
<em>In situ</em> Gasanalyse og brandkarakterisering af lithium-ion-celler under termisk løb ved hjælp af et miljøkammer
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