Method Article

تسريع معدل السعرات الحرارية والتقنيات التكميلية لتوصيف مخاطر سلامة البطارية

DOI:

10.3791/60342

⸱

September 15th, 2021

 ,  , 
1Chemistry Division, U.S. Naval Research Laboratory, 2NRL/NRC Post-doctoral Research Associate

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم تحقيق طريقة لتوصيف مخاطر الفشل المحتملة لبطاريات الليثيوم من خلال تسريع معدل السعرات الحرارية. يتم جمع إطلاق الحرارة والضغط ، والمراقبة البصرية لحدث الفشل ، والتقاط الغازات المتطورة في هذه التجربة لتحديد أسوأ التهديدات الموثوقة للبطاريات التي يتم إعطاؤها.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المخاطر المرتبطة بكيمياء البطاريات القائمة على الليثيوم موثقة جيدا بسبب طبيعتها الكارثية. عادة ما يتم تقييم المخاطر نوعيا من خلال مصفوفة المخاطر الهندسية. ضمن المصفوفة ، يتم تصنيف الأحداث التي يحتمل أن تكون خطرة وترتيبها من حيث الخطورة والاحتمالات لتوفير الوعي الظرفي لصانعي القرار وأصحاب المصلحة. تجعل الطبيعة العشوائية لفشل البطارية ، وخاصة كيمياء الليثيوم أيون ، من الصعب تقييم محور احتمالية المصفوفة بشكل صحيح. لحسن الحظ ، توجد أدوات التوصيف ، مثل قياس السعرات الحرارية ذات المعدل المتسارع (ARC) ، والتي تميز درجات شدة فشل البطارية. تم استخدام ARC على نطاق واسع لتوصيف المواد الكيميائية التفاعلية ولكن يمكن أن يوفر تطبيقا جديدا للحث على أعطال البطارية في ظل ظروف تجريبية آمنة وخاضعة للرقابة وتحديد معايير السلامة الحرجة. نظرا للطبيعة القوية لمقياس المسعر الممتد ، قد يتم أخذ الخلايا بأمان إلى الفشل بسبب مجموعة متنوعة من الانتهاكات: الحرارية (التسخين البسيط للخلية) ، الكهروكيميائية (الشحن الزائد) ، الكهربائية (ماس كهربائى خارجي) ، أو فيزيائية (سحق أو اختراق الأظافر). توضح هذه المقالة إجراءات إعداد وتجهيز خلية بطارية ليثيوم أيون تجارية للفشل في ARC لجمع بيانات السلامة القيمة: بداية الهروب الحراري ، وماص الحرارة المرتبط بذوبان فاصل البوليمر ، وإطلاق الضغط أثناء الهروب الحراري ، والتجميع الغازي للتوصيف التحليلي ، ودرجة الحرارة القصوى للتفاعل الكامل ، والمراقبة البصرية لعمليات التحلل باستخدام بوريسكوب درجة حرارة عالية (يمكن أن يخرق التنفيس والخلية). يتم استخدام طريقة "البحث عن الحرارة والانتظار" الحرارية للحث على فشل الخلية ، حيث يتم تسخين البطارية بشكل تدريجي إلى نقطة محددة ، ثم تحدد الأداة توليد الحرارة من البطارية. نظرا لأن الحرارة تولد ارتفاعا في درجة الحرارة في البطارية ، فإن درجة حرارة المسعر تتبع ارتفاع درجة الحرارة هذا ، مما يحافظ على حالة ثابتة الحرارة. لذلك ، لا تتبادل الخلية الحرارة مع البيئة الخارجية ، لذلك يتم التقاط كل توليد الحرارة من البطارية تحت الفشل.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

سمحت البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، وتحديدا كيمياء الليثيوم أيون ، بعمل مجتمع كهربائي بالكامل يشمل جميع جوانب الحياة اليومية مثل النقل والاتصالات والترفيه. بالنسبة لتطبيقات تخزين الطاقة هذه، تعادل سعة الشحن النطاق أو وقت التشغيل. يؤدي تعظيم هذه المعلمات إلى خلايا ليثيوم أيون عالية الطاقة. لسوء الحظ ، مع زيادة الطاقة الكهربائية داخل خلايا الليثيوم أيون ، يزداد إطلاق الطاقة الضارة عند حدوث عطل1. طور عدد من الوكالات التنظيمية والجمعيات المهنية والمختبرات المستقلة معايير لتوصيف سلامة البطاريات القابلة لإعادة الشحن بشكل أفضل. إحدى الطرق المستخدمة لتحديد الكثافة الحرارية لحدث سلامة البطارية هي قياس السعرات الحرارية المتسارع (ARC) 2،3. يتم إجراء هذا النوع من السعرات الحرارية بشكل شبه ثابت للحرارة لالتقاط توليد الحرارة الصريح من مادة أو خلية بطارية في بداية تفاعل طارد للحرارة ، ثم من خلال عمليات تفاعل الهروب الحراري والاحتراق. توفر أداة ARC فرصة لتوصيف أسوأ الحالات للحرارة والضغط وتوليد الغاز من تفاعل المواد الطاردة للحرارة في بيئة معملية آمنة وخاضعة للرقابة.

تم تطوير أداة ARC لأول مرة في السبعينيات لمحاكاة التفاعلات الهاربة الطاردة للحرارة من المواد الكيميائية الخطرة والتفاعلية على نطاقات آمنة وتقييم مخاطر المواد الكيميائية التفاعلية لوضع إجراءات السلامة للمناولة والاستخدام والتخزينوالنقل 4. في أوائل الثمانينيات ، تم استخدام ARC لأول مرة لغرض دراسة تفاعلات الهروب الحراري في خلايا الليثيوم. يعمل ARC من خلال "التحكم الثابت للتكيف" ، مما يعني أن درجة حرارة المسعر تحاول مطابقة درجة حرارة الخلية أثناء حدوث التفاعل. لا يوجد أيضا تبادل حراري بين العينة التي يتم اختبارها والبيئة المحيطة. عند القيام بذلك ، مع ارتفاع درجة حرارة الخلية ذاتيا وارتفاع درجة حرارتها ، يتم تقليل انتقال الحرارة بين الخلية ومحيطها. يظهر في الشكل 1 رسم تخطيطي لغرفة ARC مع عناصر تسخين ومواقع لاختبار خلايا الليثيوم أيون.

يتوفر جهاز ARC بعدة أحجام لاستيعاب مجموعة واسعة من مواد البطارية ومكونات الخلايا والخلايا والبطاريات ووحدات البطارية ، كما هو موضح في الجدول 1. يقدم ARC أيضا مجموعة من بروتوكولات اختبار التحليل الحراري ، بما في ذلك الأكثر انتشارا لتوصيف سلامة بطارية الليثيوم أيون المعروف باسم الحرارة والانتظار (HWS). يمكن إجراء قياسات ARC في تكوين اختبار "مفتوح" أو "مغلق". يتمثل الاختلاف الرئيسي بين تكويني الاختبار هذين في القدرة على إجراء قياسات أخذ عينات الضغط والغاز في النظام المغلق. يفسح التكوين المفتوح المجال للمراقبة البصرية من خلال استخدام كاميرا ذات درجة حرارة عالية أو borescope 4,5. تم استخدام وعاء ضغط كروي صغير أو "قنبلة" في ARC لقياس إطلاق حرارة التفاعل من مواد قطب البطارية6. عادة ما يخضع إطلاق الحرارة لتركيز الليثيوم في المواد ويزداد حدة في وجود مذيبات الإلكتروليت العضوية وأملاح الليثيوم 7,8. على المستوى الخلوي ، يلزم وجود ARC ممتد الحجم للاحتفاظ بأمان بالحرارة والضغط وإطلاق الغاز من عملية الهروب الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن دمج الميزات في أداة ARC للحث على أعطال البطارية عن طريق اختراق الأظافر أو الشحن الزائد الكهروكيميائي أو ماس كهربائى خارجي.

كان مختبر سانديا الوطني تاريخيا رائدا في توصيف ARC للبطاريات لدعم وزارتي الطاقة والنقل الأمريكية. نشرت سانديا العديد من التقارير التي تسلط الضوء على أهميتها في توليد بيانات السلامة الهامة ، والتي أثرت على السياسة الفيدرالية ومعايير السلامة9،10. في التقرير ، فإنها توفر معلمات الاختبار المثلى ، وجمع البيانات ، ومعايير إعداد التقارير9. تم اعتماد معظم الممارسات الموصى بها في هذه المقالة لتوصيف المخاطر الحرارية لخلية ليثيوم أيون أسطوانية واحدة تحت الهروب الحراري باستخدام بروتوكول HWS. على وجه التحديد ، يمكن أن يوفر ARC دليلا كميا موضوعيا على العوامل التي تؤثر على سلامة بطاريات الليثيوم أيون ومواد البطاريات (أي درجة الحرارة القصوى ، ومعدل التسخين كدالة للوقت / درجة الحرارة ، وغاز التهوية كدالة للوقت / درجة الحرارة ، والتحليل الكيميائي للمواد الخطرة من غاز التهوية والدخان) أثناء تعطل البطارية.

بروتوكول اختبار ARC الأكثر استخداما لاختبار سلامة البطارية هو HWS. يوفر بروتوكول HWS اكتشافا دقيقا للتفاعلات الطاردة للحرارة التي تحدث داخل خلايا الليثيوم أيون وهو أكثر دقة من وضع التسخين المنحدر البسيط. هذه هي الطريقة القياسية لتوصيف البطارية الجامحة الحرارية. يتم تسخين الغرفة إلى درجة حرارة بدء أولية ، ثم يتم تطبيق وقت انتظار يعتمد على كتلة العينة وخصائص نقل الحرارة. بعد هذه الخطوة ، يسعى المسعر إلى طارد للحرارة أكبر من الحساسية المحددة (على سبيل المثال ، 0.02 درجة مئوية / دقيقة). إذا لم يلاحظ أي طارد للحرارة في الفترة الزمنية المخصصة ، يتم تسخين الغرفة مرة أخرى بخطوة درجة حرارة محددة (على سبيل المثال ، 5 درجات مئوية) ، وتتكرر العملية. يوضح الشكل 2 المخطط الانسيابي للعملية ل HWS (الشكل 2أ) والبيانات التجريبية التي توضح المراحل المختلفة ل HWS من خلال التكرارات العديدة الأولى (الشكل 2ب).

التعريفات الكاملة لكل خطوة من خطوات الاختبار في بروتوكول HWS هي كما يلي. وضع الحرارة هو الطاقة الممنوحة لسخانات الغرفة لرفع درجة حرارة الغرفة والجهاز تحت الاختبار (DUT). يحدث وضع الانتظار عند إنشاء توازن حراري بين المسعر والقنبلة أو مادة الاختبار. يحدث وضع البحث عندما يتم تحديد حسابات التغير في درجة الحرارة ، ويرتبط الوقت بالتغير في الحساسية ، عادة 0.02 درجة مئوية / دقيقة. يبدأ وضع التبريد في نهاية الاختبار ، عند تحقيق أقصى درجة حرارة أو ضغط. تتضمن آلية التبريد التقليدية تدفق غاز خامل مثل النيتروجين إلى الغرفة. بدلا من ذلك ، يمكن إدخال النيتروجين السائل في الغرفة لتسريع التبريد. يشير وضع طارد الحرارة إلى زيادة في درجة الحرارة التي لوحظت بعد تسمية خطوة البحث بطارد للحرارة. يصف هذا بيئة يكون فيها التسخين الذاتي لمادة الاختبار أكبر من الحساسية المحددة، عادة 0.02 درجة مئوية/دقيقة. يستمر وضع طارد الحرارة حتى ينخفض معدل التسخين الذاتي إلى ما دون الحساسية المطلوبة ، وعند هذه النقطة يتم تشغيل وضع حرارة آخر ، ويستمر تسلسل الحرارة والانتظار والبحث حتى يتم الوصول إلى الحد الأقصى لدرجة الحرارة أو الحد الأقصى للضغط.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. معايرة المسعر

ملاحظة: من المهم معايرة المسعر لاستيعاب أي تغييرات في ظروف نقل الحرارة من / إلى نفس الخلية (على سبيل المثال ، توصيل الكابلات الكهربائية ذات القطر الكبير بالخلية) أو استبدال المزدوجة الحرارية للقياس الرئيسي. يجب إعادة معايرة الأداة بعد فترة 2-3 أشهر ، حيث يمكن أن تتغير استجابات المزدوجات الحرارية مع الاستخدام المطول.

  1. استخدم وعاء كروي صغير أو "قنبلة" لمعايرة المسعر.
  2. قم بتوصيل قنبلة كروية فارغة من مادة معروفة (مثل التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والألمنيوم وما إلى ذلك) بالجانب السفلي من غطاء المسعر.
  3. تأكد من أن المسعر نظيف وخالي من الحطام.
  4. مطابقة ظروف المعايرة مع ظروف الاختبار المتوقعة. يجب أن تكون أي تركيبات خاصة موجودة داخل الغرفة في الموقع المتوقع للمعايرة المناسبة.
  5. قم بتوصيل طرف السلك الحراري للقنبلة بسطح وعاء القنابل الكروي. يجب أن يكون الطرف ملامسا للقنبلة حتى تعمل المعايرة بشكل صحيح. قم بتأمين السلك المزدوج الحراري والسلك بشريط بدرجة حرارة عالية ، إذا لزم الأمر.
  6. تأكد من إغلاق غطاء المسعر تماما ، مع إظهار الغطاء والقاعدة بشكل جيد.
  7. أغلق صندوق الانفجار للتخلص من التيارات الهوائية التي تهب عبر المسعر ، والتي يمكن أن تؤثر على القياس.
  8. استخدم المعلمات التالية لاختبار المعايرة: خطوة درجة الحرارة = 25 درجة مئوية ؛ درجة حرارة البدء = 50 درجة مئوية ؛ درجة حرارة النهاية = 405 درجة مئوية ؛ حساسية معدل درجة الحرارة = 0.01 درجة مئوية / دقيقة ؛ ووقت الانتظار = 30 دقيقة.
  9. تأكد من مسح إزاحات المعايرة السابقة من البرنامج.
  10. ابدأ إجراء المعايرة.

2. اختبار عامل فاي

ملاحظة: حتى ARC الأعلى أداء لا يمكنه تحقيق السمنة الكاملة. لذلك ، يتم فقد بعض الحرارة أثناء الاختبار ويجب حسابها لتوفير بيانات دقيقة عن السعرات الحرارية.

  1. حساب الفقد الحراري عن طريق حساب عامل الإزاحة ، φ ، باستخدام المعادلة التالية:

figure-protocol-1

قم بتطبيق السعة الحرارية والكتلة المعروفة (c و m) للقنبلة والعينة. أكمل اختبار الانجراف بعد معايرة الغرفة. تأكد من أن عامل phi الناتج في حدود ±0.02 درجة مئوية / دقيقة.

3. الكتلة الحرارية والقدرة الحرارية لخلايا البطارية التجارية للاختبار المدمر

  1. احسب السعة الحرارية أثناء تسخين قصير وخفيف وغير مدمر للخلية. قم بإجراء هذه العملية في نطاق درجة حرارة تتراوح من 25 إلى 55 درجة مئوية (درجة الحرارة المحيطة إلى الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل الموصى بها للخلية). استخدم النيتروجين السائل لتقييم السعة الحرارية من درجات الحرارة دون المحيطة.
  2. اجمع كتلة الخلية المفردة لثلاث خلايا متطابقة.
  3. قم بلصق حصيرة سخان على طول محور خلية واحدة 18650 بشريط بدرجة حرارة عالية.
    ملاحظة: يمكن أن يختلف إعداد الاختبار المادي باختلاف هندسة الخلية ، ويلزم وجود حصيرة سخان بحجم مناسب لأحجام الخلايا المختلفة.
  4. بالنسبة لمسعرات المسعرات ذات الحجم الممتد ، قم بتجميع ثلاث خلايا ، بما في ذلك الخلية ذات حصيرة السخان ، في شكل مثلث. قم بلصق الخلايا معا بشريط من الألومنيوم.
  5. قم بتوصيل مزدوج حراري للتحكم في منتصف طول الخلية المجاورة للخلية باستخدام حصيرة السخان.
  6. قم بتعليق المثلث ثلاثي الخلايا من أعلى المسعر باستخدام سلك معدني.
  7. استبدل غطاء المسعر بإحكام.
  8. تأكد من خروج الأسلاك من السخان من المسعر وتوصيلها بمصدر الطاقة المتغير.
  9. ابدأ اختبار السعة الحرارية عن طريق تنشيط مصدر الطاقة إلى منحدر من 30-60 درجة مئوية خلال فترة ~ 2 ساعة.

ملاحظة: يتم توفير بيانات درجة الحرارة النموذجية مقابل الوقت (المحولة إلى K / s) المستخدمة لحساب cp في الشكل 3. يتم حساب الطاقة الموردة للسخان بضرب جهد مصدر الطاقة والتيار لتوفير الطاقة بوحدات W أو J / s. تنقسم طاقة السخان على منحدر مخطط درجة الحرارة مقابل الوقت لتوفير الكتلة الحرارية بوحدات J / K. أخيرا ، يتم تقسيم الكتلة الحرارية على كتلة العينة لتوفير السعة الحرارية للخلية بوحدات J / g ·K. يظهر أدناه مثال على قياس السعة الحرارية ، وفقا للبيانات الواردة في الشكل 3:

ميل درجة الحرارة مقابل الوقت ، من البيانات الأولية: 0.3738 درجة مئوية / دقيقة = 0.00623 كلفن / ثانية
الطاقة من السخان: (8.53 فولت × 0.639 أمبير) @ 30٪ = 1.635 واط = 1.635 جول / ثانية
الكتلة الحرارية (الطاقة / المنحدر) = 262.472 J / K
السعة الحرارية (الكتلة الحرارية / الكتلة) = 262.472 جول / كلفن مقسومة على 244 جم = 1.075 جول / جم · K

4. اختبار الفشل المدمر لخلية بطارية ليثيوم أيون تجارية 18650

  1. معيار "البحث عن الحرارة والانتظار" لخلية البطارية
    1. تأكد من أن مادة اختبار البطارية / الخلية التجارية أو "الجهاز قيد الاختبار" (DUT) في حالة الشحن المطلوبة (SOC) للاختبار ؛ من الناحية المثالية ، يمثل SOC بنسبة 100٪ "أسوأ تهديد موثوق" لفشل البطارية.
    2. افتح غطاء الغرفة الخارجية.
    3. قم بإزالة الغطاء العلوي لمقياس السعرات الحرارية لترتيب وضع مقالة اختبار البطارية. يجب أن تكون الغرفة خالية من الحطام باستخدام فراغ قياسي ومسح مذيب خفيف لجدران المسعر.
    4. قم بتركيب الخلية الأسطوانية في حامل خلية في الاتجاه الرأسي وضعها بعيدا قليلا عن مركز المسعر الداخلي. يضمن الوضع خارج المركز أقصى التقاط للفيديو أثناء حدث الهروب الحراري عندما لا يتم إعاقة كاميرا بورسكوب درجة الحرارة العالية بواسطة أبخرة الإلكتروليت المقذوفة والدخان وإخراج الخلية من فتحة التهوية العلوية للخلية.
      ملاحظة: بدلا من ذلك، يمكن تثبيت الخلية في اتجاه أفقي باستخدام حامل حلقي قياسي. في أي وقت يتم فيه إدخال عناصر إضافية مثل حوامل الحلقة في المسعر ، يجب إجراء معايرة أخرى.
    5. قم بلصق المزدوجة الحرارية المعينة "المزدوجة الحرارية للقنبلة" على الخلية الأسطوانية عند الحائط متوسطة الطول ومثبتة بسلك نيكل عالي الحرارة. يتم ذلك من أجل 1) الحفاظ على المزدوجة الحرارية في مكانها أثناء الإجهاد الميكانيكي للخلية و 2) تجنب ذوبان الشريط البديل ذو درجة الحرارة العالية ، والذي لا يمكنه في بعض الأحيان تحمل درجة إطلاق الحرارة من الخلية.
      ملاحظة: من المهم الحفاظ على اتصال جيد بين المزدوجة الحرارية وجدار الخلية لضمان قراءة درجة الحرارة الدقيقة المطلوبة للتحكم في التسخين الثابت لغرفة المسعر.
    6. قم بتأمين DUT بمشابك مناسبة على غرار التمساح لشحن الخلية أو التفريغ أو مراقبة جهد الدائرة المفتوحة أو قياسات المعاوقة الكهروكيميائية. قم بتشغيل الأسلاك الكهربائية من خلال الأخاديد الموجودة على السطح العلوي لغرفة المسعر.
    7. استبدل غطاء المسعر مع الحرص على عدم الضغط على أي مزدوجات حرارية أو أسلاك كهربائية.
    8. استخدم ميزات التركيز البؤري اليدوي على منظار درجة الحرارة العالية لزيادة جودة الصورة قبل الاختبار. غالبا ما يركز المنظار على اللوحة السفلية لحامل الخلية لحساب التقلبات في التركيز البصري أثناء تسخين المسعر.
    9. بدء بروتوكول اختبار HWS حراري. معلمات الاختبار والقيم التمثيلية هي كما يلي:
      - درجة حرارة البدء: 35 درجة مئوية
      - درجة حرارة النهاية: 305 درجة مئوية
      - درجة الحرارة: 5 درجة مئوية
      - حساسية معدل درجة الحرارة: 0.02 درجة مئوية / دقيقة
      - وقت الانتظار: 30 دقيقة
      - خطوة درجة حرارة الحساب: 0.2 درجة مئوية
      - درجة حرارة باردة: 35 درجة مئوية
      - درجة حرارة الإصدار: 50 درجة مئوية
      - ضغط الأمان: 200 بار
      - الحد الأقصى لانخفاض درجة الحرارة: 25 درجة مئوية
      - أقصى انخفاض في الضغط: 20 بار
      - أقصى معدل طارد للحرارة: 1000.00 درجة مئوية / دقيقة
      - الحد الأقصى لمعدل الضغط: 160342 بار / دقيقة
      - درجة حرارة سجل البيانات: 1.00 درجة مئوية
      - الخطوة الزمنية لسجل البيانات: 0.5 دقيقة
      - خطوة درجة حرارة سجل طارد الحرارة: 1.00 درجة مئوية
    10. إذا كان جمع الغاز مطلوبا ، فاضبط درجة حرارة التجميع (على سبيل المثال ، 120 درجة مئوية) وفترة التجميع (على سبيل المثال ، 0.5 دقيقة).
    11. ابدأ اختبار HWS واسمح للخلية بالدخول في الهروب الحراري.
      ملاحظة: بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة القصوى للكالوريمتر ، يتم تشغيل مروحة العادم تلقائيا لإزالة أي دخان من المسعر.
    12. اترك الحجرة تبرد تماما إلى درجة الحرارة المحيطة قبل فتح ARC وإزالة غطاء المسعر. يمكن تسريع وقت تبريد الغرفة باستخدام حقن النيتروجين السائل أو الغازي في قاع الغرفة. بدون مساعدة النيتروجين ، قد يستغرق التبريد ما يصل إلى 24 ساعة.
    13. تؤدي عملية ARC HWS إلى تحلل / احتراق خلية البطارية ، مما يترك مواد القطب الكهربائي المحترقة و
      14. الحطام داخل الغرفة. نظف المسعر باستخدام مكنسة كهربائية في المتجر وامسح جدران المسعر بمذيب خفيف.

5. ضمان نجاح اختبار ARC لخلية الليثيوم أيون

  1. تأكد من أن الخلية في SOC المناسب. عادة ما توفر الخلايا المشحونة بالكامل أكبر إطلاق للحرارة ودرجة حرارة مبكرة ، مما يشير إلى أسوأ تهديد موثوق به للسلامة.
  2. تأكد من أن المزدوجة الحرارية للقنبلة مؤمنة للخلية بسلك معدني. لن يؤدي عدم الالتصاق بطرف المزدوج الحراري بالجدار الجانبي للبطارية إلى التقاط آثار التسخين الذاتي.
  3. تحقق مرة أخرى من تسميات المزدوجات الحرارية: القنبلة متصلة بالخلية ، والعينة تطفو بحرية داخل غرفة المسعر ، و (في حالة استخدام عدة مزدوجات حرارية مساعدة) تكون مواقعها معروفة وتحقق منها.
  4. في حالة إجراء مراقبة جهد الدائرة المفتوحة أو إجراء الكيمياء الكهربائية في ARC ، تأكد من أن الخلية تسجل قيمة الجهد المتوقعة. يشير الجهد غير المتوقع أو الجهد السالب إلى أن الخيوط الكهربائية داخل علبة ARC ربما تكون قد فقدت الاتصال أو تم عكس الأسلاك. احرص على عدم تقصير الخلية أثناء الإعداد ، لأن الغرفة بأكملها معدنية.

6. تفسير بيانات ARC وحساب حرارة التفاعل

  1. احسب الحرارة الكلية للتفاعل بوحدات الحرارة لكل كتلة (J / g أو J / kg).
  2. استخدم بيانات درجة الحرارة مقابل الوقت للحصول على الخصائص الحرارية الأساسية للتفاعل ، مثل بداية طارد الحرارة ،وبداية T ، ودرجة الحرارة القصوى للتفاعل ، Tmax ، باستخدام المعادلة:

figure-protocol-2

  1. استخدم السعة الحرارية المقاسة في الإجراء السابق وحساب ΔT لحساب الحرارة الإجمالية للتفاعل. استخدم عامل الإزاحة φ لمراعاة نقص السمنة المثالية.

figure-protocol-3

  1. احسب ارتفاع الضغط أثناء التفاعل باستخدام المعادلة التالية:

figure-protocol-4

  1. ارسم معدل درجة الحرارة اللوغاريتمي مقابل درجة الحرارة لإظهار كيفية تطور التفاعل عبر نطاق درجة الحرارة (الشكل 4ب). قم بتحويل معدل درجة الحرارة (درجة مئوية / دقيقة) إلى وحدات J / s باستخدام السعة الحرارية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم توفير بيانات تمثيلية من تجربة HWS لخلية بطارية ليثيوم أيون تجارية مشحونة بالكامل 18650 في الشكل 4أ ، ب. يوضح الشكل درجة حرارة الخلية كدالة للوقت أثناء إعداد اختبار ARC "المغلق". يتم تمييز الميزات الحرارية الأساسية (بداية T و Tmax و ΔT) في الشكل. موقعبداية T هو بداية الخطوة الطاردة للحرارة ، والتي تستمر حتى يتم الوصول إلى Tmax . يمكن أيضا جمع جهد الخلية جنبا إلى جنب مع الحد الأقصى للضغط والتغير في الضغط (Pmax و ΔP ، ع...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعد إجراء اختبار HWS الذي تم إنجازه باستخدام أداة ARC أمرا بالغ الأهمية لتحديد أسوأ تهديد موثوق به للسلامة تشكله بطارية ليثيوم أيون. توفر قياسات درجة حرارة بداية الحرارة الذاتية ودرجة الحرارة القصوى أثناء الهروب الحراري البيانات الموضوعية اللازمة لتقييم سلامة خلايا الليثيوم أيون بدقة. من خلال استخدام التجارب المستندة إلى ARC ، يمكن قياس مقاييس سلامة البطارية بطريقة خاضعة للرقابة وقابلة للتكرار.

أحد قيود أداة ARC هو أن حجم المسعر يجب أن يتوسع مع المادة أو خلية ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يشكر المؤلفون السيد داني مونتغمري من Thermal Hazard Technology على تعليقاته واقتراحاته الثاقبة العديدة. يشكر المؤلفون مكتب البحوث البحرية وإدارة سلامة خطوط الأنابيب والمواد الخطرة على تمويل ودعم وشراء المسعر المتسارع.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
borescopeOptronicsصلب ، مخطط طاقة درجة حرارة عالية
مختبر الطاقة PotentiostatPrinceton Applied Research / Ametekpotentiostat قادرة على جمع جهد الدائرة المفتوحة ، ودورة البطارية الجلفانوسية / القوية والتحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية
معدل تسريع الحجم الممتد تقنيات المخاطرالحراريةنظام متوسط الحجم ، نطاق العينة: مكونات للبطاريات. حجم العمل: 0.57 م 3
شريط درجة حرارة عاليةبطارية
مختلفأكسيد معدني مختلط قابل لإعادة الشحن مقابل خلية ليثيوم أيون من الجرافيت في 18650
سخان حصيرةعامل شكل أوميغاوحجمه يعتمد على خلية البطارية لقياسات السعة الحرارية
قنبلة كرويةتقنياتالمخاطر الحراريةقنبلة صغيرة الحجم لمعايرة ARC
خلية ليثيوم أيون غير محددة عامل الشكل

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Love, C. T. Perspective on the Mechanical Interaction Between Lithium Dendrites and Polymer Separators at Low Temperature. Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage. 13 (3), (2016).
  2. Doughty, D. H., Roth, E. P. A General Discussion of Li Ion Battery Safety. The Electrochemical Society Interface. 21 (2), 37-44 (2012).
  3. Waldmann, T., et al. Electrochemical, Post-Mortem, and ARC Analysis of Li-Ion Cell Safety in Second-Life Applications. Journal of The Electrochemical Society. 164 (13), 3154-3162 (2017).
  4. Montgomery, D. Determination of Battery Safety and Performance Parameters using Adiabatic and Isothermal Calorimetry. , Available from: http://www.thermalhazardtechnology.com (2017).
  5. Lei, B., et al. Experimental Analysis of Thermal Runaway in 18650 Cylindrical Li-ion Cells using an Accerlerating Rate Calorimeter. Batteries. 3 (14), (2017).
  6. von Sacken, U., Nodwell, E., Sundher, A., Dahn, J. R. Comparative thermal stability of carbon intercalation anodes and lithium metal anodes for rechargeable lithium batteries. Journal of Power Sources. 54, 240-245 (1995).
  7. Richard, M. N., Dahn, J. R. Accelerating rate calorimetry study on the thermal stability of lithium intercalated graphite in electrolyte I. Experimental Journal of The Electrochemical Society. 146 (6), 2068-2077 (1999).
  8. Richard, M. N., Dahn, J. R. Predicting electrical and thermal abuse behaviours of practical lithium-ion cells from accelerating rate calorimeter studies on small samples in electrolyte. Journal of Power Sources. 79 (2), 135-142 (1999).
  9. Orendorff, C. J., Lamb, J., Steele, L. A. M. Recommended Practices for Abuse Testing Rechargeable Energy Storage Systems (RESSs). , (2017).
  10. Orendorff, C. J., et al. Advanced Inactive Materials for Improved Lithium-Ion Battery Safety. , 74(2012).
  11. Lampe-Onnerud, C., Shi, J. H., Singh, S. K., Barnett, B. Fourteenth Annual Battery Conference on Applications and Advances. Proceedings of the Conference (IEEE). , 215-220 (1999).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Accelerated Rate CalorimetryBattery Safety HazardsThermal Runaway OnsetPolymer Separator MeltingPressure Release AnalysisGaseous Collection CharacterizationMaximum Temperature ReactionHigh Temperature BorescopeHeat Wait Seek MethodAdiabatic Calorimetry
Video Coming Soon

Related Articles