Hier beschreiben wir ein Testverfahren, das entwickelt wurde, um thermisches Durchgehen und Brände in Lithium-Ionen-Zellen durch In-situ-Messungen verschiedener Parameter in einer Klimakammer zu charakterisieren.
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Methodenartikel
In situ Gasanalyse und Brandcharakterisierung von Lithium-Ionen-Zellen während des thermischen Durchgehens in einer Klimakammer
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Eine experimentelle Apparatur und eine Standardarbeitsanweisung (SOP) werden entwickelt, um zeitaufgelöste Daten über die Gaszusammensetzung und das Brandverhalten während und nach dem thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Batteriezellen (LIB) zu sammeln. Eine zylindrische Zelle des Typs 18650 wird vor jedem Experiment auf einen gewünschten Ladezustand (SOC; 30 %, 50 %, 75 % und 100 %) konditioniert. Die konditionierte Zelle wird durch ein elektrisches Heizband mit konstanter Heizrate (10 °C/min) in einer Klimakammer (Volumen: ~600 L) in ein thermisches Durchgehen gezwungen. Die Kammer ist mit einem Fourier-Transformations-Infrarot-Gasanalysator (FTIR) für Echtzeit-Konzentrationsmessungen verbunden. Zwei Camcorder werden verwendet, um wichtige Ereignisse wie das Entlüften der Zelle, das thermische Durchgehen und den anschließenden Verbrennungsprozess aufzuzeichnen. Auch die Zustände der Zelle, wie Oberflächentemperatur, Massenverlust und Spannung, werden erfasst. Mit den gewonnenen Daten können die Pseudoeigenschaften der Zellen, die Zusammensetzung des Entlüftungsgases und die Entlüftungsmasse als Funktionen der Zelltemperatur und des SOC der Zelle abgeleitet werden. Während das Testverfahren für eine einzelne zylindrische Zelle entwickelt wurde, kann es leicht erweitert werden, um verschiedene Zellformate zu testen und die Brandausbreitung zwischen mehreren Zellen zu untersuchen. Die gesammelten experimentellen Daten können auch für die Entwicklung numerischer Modelle für LIB-Brände verwendet werden.
Einleitung
In den letzten Jahrzehnten haben Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) an Popularität gewonnen und von enormen technologischen Fortschritten profitiert. Aufgrund verschiedener Vorteile (z. B. hohe Energiedichte, geringer Wartungsaufwand, geringe Selbstentladungs- und Ladezeiten und lange Lebensdauer) gilt die LIB als vielversprechende Energiespeichertechnologie und wird in verschiedenen Anwendungen wie großen Energiespeichersystemen (ESS), Elektrofahrzeugen (EVs) und tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt. Während sich die weltweite Nachfrage nach LIB-Zellen voraussichtlich von 725 GWh im Jahr 2020 auf 1.500 GWh im Jahr 2030verdoppeln wird 1, hat....
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Protokoll
1. Inbetriebnahme des FTIR-Gasanalysators
HINWEIS: Die Verfahren können für verschiedene Marken und Modelle des FTIR-Gasanalysators unterschiedlich sein. Das folgende Verfahren gilt für den spezifischen Gasanalysator, der in dieser Arbeit verwendet wird.
- Installieren Sie einen neuen Filter oder einen sauberen Filter (d. h. einen, der in einem Ultraschallbad gereinigt wurde) in die Filter-/Ventileinheit (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2).
- Öffnen Sie das Ventil der Stickstoffflasche, die an den Gasanalysator angeschlossen ist (siehe
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Ergebnisse
Videos, die typische thermische Durchgehensprozesse mit und ohne Brände darstellen, sind in der Ergänzungsdatei 1 bzw. in der Ergänzungsdatei 2 enthalten. Die wichtigsten Ereignisse sind in Abbildung 5 dargestellt. Wenn die Zelltemperatur erhöht wird (auf ~110-130 °C), beginnt die Zelle zu schwellen, was auf den Aufbau des Innendrucks hinweist (verursacht durch die Verdampfung von Elektrolyten und die thermische Ausdehnung von Gasen in der Zelle
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Diskussion
Die kritischsten Schritte im Protokoll betreffen die giftigen Gase, die beim thermischen Durchgehen der LIB freigesetzt werden. Die Dichtheitsprüfung in Schritt 3.11 muss sorgfältig durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die giftigen Gase während der Versuche in der Kammer eingeschlossen sind. Die Gasreinigungsverfahren in der Kammer (Schritte 7.1-7.14) müssen ebenfalls ordnungsgemäß durchgeführt werden, um die Gefahr durch die giftigen Gase zu mindern. Giftige Gase können nur einen kleinen Teil des Entlüftungsgas.......
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Offenlegungen
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Danksagungen
Diese Studie wird von den UL Forschungsinstituten unterstützt. Alle Batteriezellen in dieser Arbeit wurden im Labor von Prof. Chris Yuan an der Case Western Reserve University (CWRU) konditioniert und präpariert. Die Testkammer ist eine Leihgabe des NASA Glenn Research Center an CWRU. Wir erhielten enorme Unterstützung für den FTIR-Gasanalysator von einer ehemaligen Doktorandin, Dr. Yumi Matsuyama von der CWRU, und technische Unterstützung für den H2-Sensor von Jeff Tucker, Brandon Wicks und Brian Engle von Amphenol Advanced Sensors. Wir sind sehr dankbar für die Unterstützung von Pushkal Kannan und Boyu Wang von CWRU. Wir möchten uns auch für die technisch....
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Saldo | A& D | EJ-6100 | |
| Aktivkohlefilter | Whatman | WHA67041500 | |
| Stromwandler | NK Technologies | AT1-010-000-FT | |
| Frontkamera | Sony | FDR-AX53 | |
| FTIR Gasanalysator | Brandprüftechnik | Protea atmosFIR AFS-A-15 | |
| Heizband (1,00" x 2,00") | Birk Manufacturing, Inc. | BK3512-19.6-L24-03 | |
| Hochtemperaturbeständiges Band | Kapton | ||
| Wasserstoffsensor | Amphenol | AX220135 | |
| K-Typ, Thermoelement | 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-Regler | Omega | CN8200 | |
| PILOT5000 chemikalienbeständige Membran-Vakuumpumpe | Das Labordepot | ||
| Überdruckventil | Straval | RVL20-10T-N4675 | |
| Druckmessumformer | Keller | 0308.01601.081303.02 | |
| Reiner Nickelstreifen (0,1 x 5 x 100 mm 99,6 % Nickel) | U.S. Atemschutzmaske für feste Produkte | ||
| McMaster | 55865T52 | ||
| Atemschutzmaske | Honeywell | 75Scp100L | |
| Drehschieber-Vakuumpumpe (0,5 PS) | Alcatel | Pascal 2010 | |
| Seitenkamera | Sony | HDR-CX110 | |
| Punktschweißgerät | SUNKKO | 737G+ | |
| TeamViewer | TeamViewer | ||
| Spannungswandler | CR Magnetics Inc. | CR4510-50 |
Referenzen
- 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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Nachdrucke und Genehmigungen
