هنا ، نصف إجراء اختبار تم تطويره لتوصيف الهروب الحراري والحرائق في خلايا الليثيوم أيون من خلال القياسات في الموقع لمعلمات مختلفة في غرفة بيئية.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
في الموقع تحليل الغاز وتوصيف الحريق لخلايا الليثيوم أيون أثناء الهروب الحراري باستخدام غرفة بيئية
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
تم تطوير جهاز تجريبي وإجراءات تشغيل قياسية (SOP) لجمع البيانات التي تم حلها بمرور الوقت حول تركيبات الغاز وخصائص الحريق أثناء وبعد الهروب الحراري لخلايا بطارية ليثيوم أيون (LIB). يتم تكييف خلية أسطوانية 18650 بحالة الشحن المطلوبة (SOC ؛ 30٪ ، 50٪ ، 75٪ ، و 100٪) قبل كل تجربة. يتم دفع الخلية المكيفة إلى الهروب الحراري بواسطة شريط تسخين كهربائي بمعدل تسخين ثابت (10 °C / min) في غرفة بيئية (الحجم: ~ 600 لتر). الغرفة متصلة بمحلل غاز فورييه لتحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR) لقياسات التركيز في الوقت الفعلي. يتم استخدام اثنين من كاميرات الفيديو لتسجيل الأحداث الكبرى ، مثل تنفيس الخلية ، والهروب الحراري ، وعملية الحرق اللاحقة. يتم أيضا تسجيل ظروف الخلية ، مثل درجة حرارة السطح وفقدان الكتلة والجهد. من خلال البيانات التي تم الحصول عليها ، يمكن استنتاج الخصائص الزائفة للخلية ، وتركيبات تنفيس الغاز ، ومعدل كتلة التنفيس كوظائف لدرجة حرارة الخلية و SOC للخلية. بينما تم تطوير إجراء الاختبار لخلية أسطوانية واحدة ، يمكن توسيعه بسهولة لاختبار تنسيقات الخلايا المختلفة ودراسة انتشار الحريق بين خلايا متعددة. يمكن أيضا استخدام البيانات التجريبية التي تم جمعها لتطوير نماذج عددية لحرائق LIB.
المقدمة
في العقود القليلة الماضية ، اكتسبت بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) شعبية واستفادت من التطورات التكنولوجية الهائلة. نظرا للمزايا المختلفة (على سبيل المثال ، كثافة الطاقة العالية ، والصيانة المنخفضة ، وأوقات التفريغ الذاتي والشحن المنخفضة ، والعمر الطويل) ، فقد تم اعتبار LIB تقنية واعدة لتخزين الطاقة وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات مختلفة ، مثل أنظمة تخزين الطاقة الكبيرة (ESSs) والمركبات الكهربائية (EVs) والأجهزة الإلكترونية المحمولة. في حين أنه من المتوقع أن يتضاعف الطلب العالمي على خلايا LIB من 725 جيجاوات ساعة في عام 2020 إلى 1500 جيجاوات ساعة في عام 20301 ، كانت هناك زيادة كبيرة في الحرائق والانفجارات المتعلقة ب LIBs في السنوات الأخيرة
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. بدء تشغيل محلل الغاز FTIR
ملاحظة: يمكن أن تختلف الإجراءات باختلاف العلامات التجارية ونماذج محلل الغاز FTIR. الإجراء التالي مخصص لمحلل الغاز المحدد المستخدم في هذا العمل.
- قم بتركيب مرشح جديد أو مرشح نظيف (أي مرشح تم تنظيفه في حمام بالموجات فوق الصوتية) في وحدة المرشح / الصمام (انظر الشكل 1 والشكل 2).
- افتح صمام أسطوانة النيتروجين المتصل بمحلل الغاز (انظر الشكل 2). اضبط معدل تدفق النيتروجين على 150-250 سم مكعب / دقيقة.
ملاحظة: هذا للتحضير لتطهير N2 أثناء التنظيف قبل / بعد اختبار محلل الغاز. - ا....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
يتم تضمين مقاطع الفيديو التي تمثل عمليات الهروب الحراري النموذجية مع الحرائق وبدونها في الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2 ، على التوالي. الأحداث الرئيسية موضحة في الشكل 5. مع ارتفاع درجة حرارة الخلية (إلى ~ 110-130 °C) ، تبدأ الخلية في التورم ، مما يشير إلى تراكم الضغط الداخلي (الناجم عن تبخر الشوارد والتمدد الحراري للغازات داخل الخلية2). ويلي ذلك فتح منفذ التهوية وإطلاق غاز التهوية (الشكلان 5 أ و
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
الخطوات الأكثر أهمية في البروتوكول هي تلك المتعلقة بالغازات السامة المنبعثة في الهروب الحراري LIB. يجب إجراء اختبار التسرب في الخطوة 3.11 بعناية لضمان حصر الغازات السامة في الغرفة أثناء التجارب. يجب أيضا إجراء إجراءات تنظيف غاز الغرفة (الخطوات 7.1-7.14) بشكل صحيح للتخفيف من خطر الغازات السامة. قد تشكل الغازات السامة جزءا صغيرا فقط من غاز التنفيس أثناء الهروب الحراري LIP. ومع ذلك ، حتى التركيزات المنخفضة جدا لبعض الغازات السامة تشكل تهديدا كبيرا لصحة الإنسان. حدود التعرض المهنية لمدة 8 ساعات من الأكرولين والفورمالديهايد ا.......
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.
شكر وتقدير
هذه الدراسة مدعومة من قبل معاهد أبحاث UL. تم تكييف جميع خلايا البطارية في هذا العمل وإعدادها في مختبر البروفيسور كريس يوان في جامعة كيس ويسترن ريزيرف (CWRU). غرفة الاختبار على سبيل الإعارة إلى CWRU من مركز أبحاث جلين التابع لناسا. لقد تلقينا دعما هائلا على محلل الغاز FTIR من طالب دكتوراه سابق ، الدكتور يومي ماتسوياما في CWRU ، والدعم الفني على مستشعر H2 من جيف تاكر وبراندون ويكس وبريان إنجل من أجهزة استشعار Amphenol المتقدمة. نحن نقدر بصدق الدعم من بوشكال كنان وبويو وانغ في CWRU. نود أيضا أن نعرب عن تقديرنا للمناقشات الفنية مع ألكسندرا شرايبر من UL Solutions.
....الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| التوازن | A& D | EJ-6100 | |
| فلتر الكربون | Whatman | WHA67041500 | |
| محول الطاقة الحالي | NK Technologies | AT1-010-000-FT | |
| الكاميرا الأمامية | Sony | FDR-AX53 | |
| FTIR محلل الغاز | تكنولوجيا اختبار الحريق | Protea atmosFIR AFS-A-15 | |
| شريط تسخين (1.00 بوصة × 2.00 بوصة) | Birk Manufacturing، Inc. | BK3512-19.6-L24-03 | |
| شريط مقاوم لدرجات الحرارة العالية | الهيدروجين Kapton | ||
| Amphenol | AX220135 | ||
| K-type ، مزدوج حراري | أوميغا | KMQSS-020U-12 | |
| LabVIEW | الأدوات | ||
| Matlab | MathWorks | ||
| NI-9213 | National الأدوات | NI-9213 | |
| NI-9219 | الأدوات الوطنية | NI-9219 | |
| NI-cDAQ-9174 | الأدوات الوطنية | NI-cDAQ-9174 | |
| NI-USB-6009 | الأدوات الوطنية | NI-USB-6009 | |
| وحدة تحكم PID | أوميغا | CN8200 | |
| PILOT5000 مضخة فراغ الحجاب الحاجز المقاومة للمواد الكيميائية | مستودع المختبر | TLD5000 | |
| صمام تخفيف الضغط | Straval | RVL20-10T-N4675 | |
| إرسال الضغط | كيلر | 0308.01601.081303.02 | |
| شريط النيكل النقي (0.1x5x100mm 99.6٪ نيكل) | للمنتجات | ||
| الأمريكية McMaster | 55865T52 | ||
| خرطوشة التنفس | Honeywell ؛ | 75Scp100L | |
| مضخة فراغ دوارة دوارة (0.5 حصان) | Alcatel | Pascal 2010 | |
| كاميرا جانبية | Sony | HDR-CX110 | |
| بقعة لحام | SUNKKO | 737G + | |
| TeamViewer | TeamViewer | ||
| محول الجهد | CR Magnetics Inc. | CR4510-50 |
المراجع
- 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).
- Wang, Q., Mao, B., Stoliarov, S. I., Sun, J.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
