在此，我们介绍一种用于表征锂离子电池热失控及起火特性的测试方法 原位 在环境舱中对各种参数进行测量。
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本文内容
摘要
摘要
开发了一种实验装置和标准操作程序（SOP），用于在锂离子电池（LIB）单体发生热失控期间及之后，采集气体成分和火灾特性的实时数据。每次实验前，将一个18650圆柱形电池调节至目标荷电状态（SOC；分别为30%、50%、75%和100%）。随后，在环境舱（体积：约600 L）内，通过电加热带以恒定加热速率（10 °C/min）强制该电池进入热失控状态。环境舱连接至傅里叶变换红外光谱（FTIR）气体分析仪，用于实时测量气体浓度。使用两台摄像机记录主要事件，如电池泄压、热失控以及随后的燃烧过程。同时记录电池的状态参数，如表面温度、质量损失和电压。基于所获得的数据，可推导出电池的伪物性参数、泄压气体成分以及泄压质量速率随电池温度和SOC变化的函数关系。尽管该测试程序针对单个圆柱形电池设计，但可轻易扩展用于测试不同类型的电池以及研究多个电池之间的火灾传播行为。所采集的实验数据还可用于建立锂离子电池火灾的数值模型。
引言
在过去的几十年中，锂离子电池（LIBs）因其显著的技术进步而广受欢迎。由于具有多种优势（例如高能量密度、低维护需求、低自放电率和充电时间短、长寿命等），锂离子电池被认为是一种极具前景的储能技术，并已广泛应用于各种领域，如大型储能系统（ESSs）、电动汽车（EVs）以及便携式电子设备。尽管全球对锂离子电池的需求预计将在2020年725 GWh的基础上翻倍，到2030年达到1,500 GWh1，但近年来与锂离子电池相关的火灾和爆炸事故显著增加2。这些事故凸显了锂离子电池所伴随的高风险，引发了对其大规模应用安全性的担忧。为缓解这些担忧，深入理解导致火灾的锂离子电池热失控过程至关重要。
以往的事故表明，当锂离子电池（LIB）在异常工况下因过热导致电化学系统遭到破坏（例如外部短路、快速放电、过充以及物理损伤）或由于制造缺陷和设计不良时，电池会发生失效2,3,4。这些事件会引发固态电解质界面（SEI）的分解，进而触发电极材料与电解液之间剧烈的放热化学反应。当反应产生的热量超过散失的热量时，将导致电池迅速自加热，即所谓的热失控。电池内部的温度和压力会持续上升，直至积聚的压力使电池破裂，并高速释放出易燃、有毒的气....
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方案
1. 启动傅里叶变换红外气体分析仪
注意：不同品牌和型号的傅里叶变换红外气体分析仪的操作步骤可能有所不同。以下步骤仅适用于本研究中所使用的特定气体分析仪。
- 在过滤器/阀门单元中安装新的过滤器或清洁过的过滤器（即已在超声波清洗槽中清洗过的过滤器）（见图1和图2）。
- 打开连接至气体分析仪的氮气瓶阀门（见图2），调节氮气流速至150–250 cc/min。
注：此步骤旨在为气体分析仪在测试前/后清洁过程中进行N2 吹扫做准备。 - 按照制造商手册中所述的FTIR启动程序操作，即"FTIR和PAS Pro用于FTT烟密度舱标准操作程序"24，版本3.1。
注：FTIR运行期间，FTIR与燃烧舱之间的气体管路（见图2）保持在180 °C，以防止气体冷凝。请勿触碰加热的管路及过滤器/阀门单元。
2. 细胞制备
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结果
包含典型热失控过程（有火与无火情况）的视频分别见于Supplementary File 1和Supplementary File 2。关键事件如图5所示。当电池温度升高至约110–130 °C时，电池开始膨胀，表明内部压力上升（由电解液汽化及电池内部气体受热膨胀所致2）。随后，泄压口开启并释放出泄压气体（分别见图5A和5B）。此缓慢泄压过程持续数分钟。之后，电池开始剧烈排气（图5C），并发生热失控（图5D）。这些现象与荷电状态（SOC）无关。在较高SOC下（例如75%和100%），热失控期间及之后还可观察到火花（图5D）、起火（图5E）.......
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讨论
该实验方案中最关键的步骤涉及锂离子电池（LIB）热失控过程中释放的有毒气体。第3.11步中的泄漏测试必须仔细执行，以确保实验过程中有毒气体被完全封闭在腔室内。腔室气体净化程序（步骤7.1–7.14）也必须正确实施，以降低有毒气体带来的危害。尽管在锂离子电池热失控期间，有毒气体可能仅占排气中很小的一部分，但某些有毒气体即使浓度极低，仍会对人体健康构成严重威胁。美国职业安全与健康管理局（OSHA）规定的职业暴露限值中，丙烯醛和甲醛的8小时时间加权平均浓度分别为0.1 ppm和0.75 ppm，显著低于使用600 L腔室测得的数值（见图6E）。这凸显了使用密封腔室并在整个测试过程中佩戴合适防护面罩的重要性。同时也进一步说明，有必要建立一种如本文所述的测试方法，用于表征锂离子电池的有毒气体释放行为。
其他关键步骤涉及传感器测量、傅里叶变换红外光谱（FTIR）读数与摄像机视频之间的时间同步。在实验方案步骤4.3–4.5中，视频录制与LED光源的开启提供了一种同步所有数据的方法。除非采用其他同步方法，否则必须严格遵循这些步骤。只有在数.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本研究由 UL 研究所资助。本工作中所有电池单体均在凯斯西储大学（CWRU）袁志教授的实验室中进行预处理和制备。测试舱由美国国家航空航天局格伦研究中心借予凯斯西储大学。我们获得了前博士生、凯斯西储大学的松山由美博士在傅里叶变换红外气体分析仪方面的大力支持，以及 Amphenol Advanced Sensors 公司 Jeff Tucker、Brandon Wicks 和 Brian Engle 在 H2 传感器方面的技术支持。我们衷心感谢凯斯西储大学 Pushkal Kannan 和王博宇提供的支持。我们还要感谢 UL Solutions 公司 Alexandra Schraiber 在技术讨论方面给予的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 平衡 | A&研发 | EJ-6100 | |
| 碳滤器 | Whatman | WHA67041500 | |
| 电流传感器 | NK Technologies | AT1-010-000-FT | |
| 前置摄像头 | 索尼 | FDR-AX53 | |
| 傅里叶变换红外气体分析仪 | 防火检测技术 | Protea atmosFIR AFS-A-15 | |
| 加热带（1.00" × 2.00") | Birk Manufacturing, Inc. | BK3512-19.6-L24-03 | |
| 耐高温胶带 | Kapton | ||
| 氢传感器 | Amphenol | AX220135 | |
| K型热电偶 | Omega | KMQSS-020U-12 | |
| LabVIEW | 国家仪器公司 | ||
| Matlab | MathWorks | ||
| NI-9213 | 国家仪器公司 | NI-9213 | |
| NI-9219 | 国家仪器公司 | NI-9219 | |
| NI-cDAQ-9174 | 国家仪器公司 | NI-cDAQ-9174 | |
| NI-USB-6009 | 国家仪器公司 | NI-USB-6009 | |
| PID控制器 | Omega | CN8200 | |
| PILOT5000 耐化学腐蚀隔膜真空泵 | 实验室用品公司 | TLD5000 | |
| 减压阀 | Straval | RVL20-10T-N4675 | |
| 压力变送器 | Keller | 0308.01601.081303.02 | |
| 纯镍带（0.1×5×100 mm，99.6% 镍） | 美国固体产品 | ||
| 呼吸器 | 麦克马斯特 | 55865T52 | |
| 呼吸器滤芯 | 霍尼韦尔 | 75Scp100L | |
| 旋片式真空泵（0.5 马力） | Alcatel | Pascal 2010 | |
| 侧视摄像头 | 索尼 | HDR-CX110 | |
| 点焊机 | SUNKKO | 737G+ | |
| TeamViewer | TeamViewer | ||
| 电压换能器 | CR Magnetics 公司 | CR4510-50 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
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