Beschleunigung der Ratenkalorimetrie und ergänzende Techniken zur Charakterisierung von Sicherheitsrisiken für Batterien

Zusammenfassung

Eine Methode zur Charakterisierung der potentiellen Ausfallgefahren von Lithiumbatterien wird mit der Beschleunigung der Geschwindigkeitskalorimetrie erreicht. In diesem Experiment werden die Wärme- und Druckabgabe, die visuelle Beobachtung des Ausfallereignisses und die Abscheidung der entwickelten Gase gesammelt, um die schlimmsten glaubwürdigen Bedrohungen durch den Ausfall von Batterien zu identifizieren.

Zusammenfassung

Die Gefahren, die mit der Chemie von Lithium-basierten Batterien verbunden sind, sind aufgrund ihres katastrophalen Charakters gut dokumentiert. Das Risiko wird in der Regel durch eine technische Risikomatrix qualitativ bewertet. Innerhalb der Matrix werden potenziell gefährliche Ereignisse kategorisiert und nach Schweregrad und Wahrscheinlichkeit eingestuft, um Entscheidungsträgern und Stakeholdern ein Situationsbewusstsein zu vermitteln. Die stochastische Natur von Batterieausfällen, insbesondere der Lithium-Ionen-Chemie, macht es schwierig, die Wahrscheinlichkeitsachse einer Matrix richtig einzuschätzen. Glücklicherweise gibt es Charakterisierungswerkzeuge, wie z. B. die beschleunigte Ratenkalorimetrie (ARC), die den Schweregrad des Batterieausfalls charakterisieren. ARC wurde in großem Umfang zur Charakterisierung reaktiver Chemikalien eingesetzt, kann aber auch eine neue Anwendung bieten, um Batterieausfälle unter sicheren, kontrollierten experimentellen Bedingungen zu induzieren und kritische Sicherheitsparameter zu quantifizieren. Aufgrund der Robustheit des Kalorimeters mit erweitertem Volumen können Zellen aufgrund einer Vielzahl von Beanspruchungen sicher zum Versagen gebracht werden: thermisch (einfache Erwärmung der Zelle), elektrochemisch (Überladung), elektrisch (externer Kurzschluss) oder physikalisch (Quetschung oder Nagelpenetration). In diesem Artikel werden die Verfahren zur Vorbereitung und Instrumentierung einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batteriezelle für den Ausfall in einem ARC beschrieben, um wertvolle Sicherheitsdaten zu sammeln: Beginn des thermischen Durchgehens, Endotherm in Verbindung mit dem Schmelzen des Polymerabscheiders, Druckentlastung während des thermischen Durchgehens, gasförmige Sammlung zur analytischen Charakterisierung, maximale Temperatur der vollständigen Reaktion und visuelle Beobachtung von Zersetzungsprozessen mit einem Hochtemperatur-Endoskop (Entlüftung und Zelle können brechen). Um einen Zellausfall zu induzieren, wird eine thermische "Heat-Wait-Seek"-Methode verwendet, bei der die Batterie schrittweise auf einen Sollwert erhitzt wird, dann identifiziert das Instrument die Wärmeentwicklung der Batterie. Wenn Wärme einen Temperaturanstieg in der Batterie erzeugt, folgt die Temperatur des Kalorimeters diesem Temperaturanstieg und behält einen adiabatischen Zustand bei. Daher tauscht die Zelle keine Wärme mit der äußeren Umgebung aus, so dass die gesamte Wärmeentwicklung der ausgefallenen Batterie aufgefangen wird.

Einleitung

Wiederaufladbare Batterien, insbesondere die Lithium-Ionen-Chemie, haben das Funktionieren einer vollelektrischen Gesellschaft ermöglicht, die alle Aspekte des täglichen Lebens wie Transport, Kommunikation und Unterhaltung umfasst. Bei diesen Energiespeicheranwendungen entspricht die Ladekapazität der Reichweite oder der Laufzeit. Die Maximierung dieser Parameter führt zu aggressiv hochenergetischen Lithium-Ionen-Zellen. Mit zunehmender elektrischer Energie in Lithium-Ionen-Zellen wird leider auch schädliche Energie freigesetzt, wenn ein Ausfall auftritt¹. Eine Reihe von Regulierungsbehörden, Fachgesellschaften....

Protokoll

1. Kalibrierung des Kalorimeters

HINWEIS: Es ist wichtig, das Kalorimeter zu kalibrieren, um Änderungen der Wärmeübertragungsbedingungen zum/von derselben Zelle (z. B. Anschließen von elektrischen Kabeln mit großem Durchmesser an die Zelle) oder den Austausch des Hauptmessthermoelements zu berücksichtigen. Das Gerät sollte nach einem Zeitraum von 2-3 Monaten neu kalibriert werden, da sich die Reaktionen der Thermoelemente bei längerem Gebrauch ändern können.

1. Verwenden Sie ein kleines kugelförmiges Gefäß oder eine "Bombe" zur Kalibrierung des Kalorimeters.
2. Befestigen Sie eine leere kugelförmige Bombe aus bekanntem Mater....

Ergebnisse

Repräsentative Daten aus dem HWS-Experiment einer voll geladenen kommerziellen Lithium-Ionen-Batteriezelle 18650 sind in Abbildung 4A,B dargestellt. Die Abbildung zeigt die Zelltemperatur als Funktion der Zeit während eines "geschlossenen" ARC-Testaufbaus. Grundlegende thermische Merkmale (T_onset, T_max und ΔT) sind in der Abbildung hervorgehoben. Der Ort des_T-Beginns ist der Beginn des exothermen Schritts, der bis zum Erreichen von T_max<.......

Diskussion

Das HWS-Testverfahren, das mit dem ARC-Instrument durchgeführt wird, ist entscheidend für die Bestimmung der größten glaubwürdigen Sicherheitsbedrohung, die von einer Lithium-Ionen-Batterie ausgeht. Die Messungen der Eigenerwärmungstemperatur und der maximalen Temperatur während des thermischen Durchgehens liefern die notwendigen objektiven Daten, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Zellen genau beurteilen zu können. Durch den Einsatz von ARC-basierten Experimenten können Batteriesicherh.......

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Endoskop	Optronics		Starres Hochtemperatur-Endoskop
Energy Lab Potentiostat	Princeton Applied Research / Ametek		Potentiostat in der Lage, Leerlaufspannung, galvanostische/potentiostatische Batteriezyklen und elektrochemische Impedanzspektroskopie zu erfassen
Erweitertes Volumen Beschleunigungsrate Kalorimeter	Thermische Gefahrentechnologien		Mittelgroßes System, Probenbereich: Komponenten bis hin zu Batterien. Arbeitsvolumen: 0,57 m3
Hochtemperaturband	unspezifische
Lithium-Ionen-Batteriezelle	verschiedene		wiederaufladbare Lithium-Ionen-Zelle mit gemischtem Metalloxid im Vergleich zu Graphit im Formfaktor 18650
Mattenheizung	Omega-Formfaktor		und -Größe abhängig von der Batteriezelle für Wärmekapazitätsmessungen
Kugelbombe	Thermal Hazard Technologies		Bombe mit kleinem Volumen zur Kalibrierung von ARC