Calorimetría de velocidad acelerada y técnicas complementarias para caracterizar los peligros de seguridad de las baterías

Resumen

Un método para caracterizar los peligros potenciales de falla de las baterías de litio se logra con calorimetría de velocidad acelerada. La liberación de calor y presión, la observación visual del evento de falla y la captura de gases emitidos se recopilan en este experimento para identificar las peores amenazas creíbles de las baterías llevadas a fallo.

Resumen

Los peligros asociados con la química de las baterías a base de litio están bien documentados debido a su naturaleza catastrófica. Por lo general, el riesgo se evalúa cualitativamente a través de una matriz de riesgos de ingeniería. Dentro de la matriz, los eventos potencialmente peligrosos se categorizan y clasifican en términos de gravedad y probabilidad para proporcionar conciencia situacional a los tomadores de decisiones y a las partes interesadas. La naturaleza estocástica de las fallas de las baterías, particularmente la química de iones de litio, hace que el eje de probabilidad de una matriz sea difícil de evaluar adecuadamente. Afortunadamente, existen herramientas de caracterización, como la calorimetría de velocidad acelerada (ARC), que caracterizan los grados de gravedad de los fallos de la batería. El ARC se ha utilizado ampliamente para caracterizar productos químicos reactivos, pero puede proporcionar una nueva aplicación para inducir fallos en baterías en condiciones experimentales seguras y controladas y cuantificar parámetros de seguridad críticos. Debido a la naturaleza robusta del calorímetro de volumen extendido, las celdas pueden fallar de manera segura debido a una variedad de abusos: térmicos (simple calentamiento de la celda), electroquímicos (sobrecarga), eléctricos (cortocircuito externo) o físicos (aplastamiento o penetración de clavos). Este artículo describe los procedimientos para preparar e instrumentar una celda de batería de iones de litio comercial para fallas en un ARC para recopilar datos de seguridad valiosos: inicio de fuga térmica, endotermo asociado con la fusión del separador de polímeros, liberación de presión durante la fuga térmica, recolección de gases para la caracterización analítica, temperatura máxima de la reacción completa y observación visual de los procesos de descomposición utilizando un boroscopio de alta temperatura (la ventilación y la celda pueden romperse). Se utiliza un método térmico de "calor-espera-búsqueda" para inducir la falla de la celda, en el que la batería se calienta gradualmente hasta un punto de ajuste, luego el instrumento identifica la generación de calor de la batería. A medida que el calor genera un aumento de temperatura en la batería, la temperatura del calorímetro sigue este aumento de temperatura, manteniendo una condición adiabática. Por lo tanto, la celda no intercambia calor con el entorno externo, por lo que se captura toda la generación de calor de la batería en caso de fallo.

Introducción

Las baterías recargables, específicamente la química de iones de litio, han permitido el funcionamiento de una sociedad totalmente eléctrica que abarca todos los aspectos de la vida diaria, como el transporte, la comunicación y el entretenimiento. Para estas aplicaciones de almacenamiento de energía, la capacidad de carga equivale a la autonomía o al tiempo de ejecución. La maximización de estos parámetros conduce a celdas de iones de litio de alta energía agresiva. Desafortunadamente, a medida que aumenta la energía eléctrica dentro de las celdas de iones de litio, también lo hace la liberación de energía perjudicial

Protocolo

1. Calibración del calorímetro

NOTA: Es importante calibrar el calorímetro para adaptarse a cualquier cambio en las condiciones de transferencia de calor hacia/desde la misma celda (por ejemplo, conectar cables eléctricos de gran diámetro a la celda) o reemplazar el termopar de medición principal. El instrumento debe recalibrarse después de un período de 2 a 3 meses, ya que las respuestas del termopar pueden cambiar con el uso prolongado.

1. Utilice un pequeño recipiente esférico o "bomba" para calibrar el calorímetro.
2. Coloque una bomba esférica vacía de material conocido (es decir, titanio, acero inoxidable, aluminio, et....

Resultados

En la Figura 4A,B se proporcionan datos representativos del experimento HWS de una celda de batería comercial de iones de litio 18650 completamente cargada. La figura muestra la temperatura de la celda en función del tiempo durante una configuración de prueba de ARC "cerrada". Las características térmicas básicas (T_{onset, T max} y ΔT) se destacan en la figura. La ubicación del_inicio de T es el comienzo de la etapa exotérmica, que continúa hast.......

Discusión

El procedimiento de prueba HWS realizado con el instrumento ARC es fundamental para determinar la peor amenaza de seguridad creíble que representa una batería de iones de litio. Las mediciones de la temperatura de inicio del autocalentamiento y la temperatura máxima durante la fuga térmica proporcionan los datos objetivos necesarios para evaluar con precisión la seguridad de las celdas de iones de litio. Mediante el uso de experimentos basados en ARC, las métricas de seguridad de la bate.......

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
boroscopio	Optronics		Boroscopio rígido de alta temperatura
Energy Lab Potenciostato	Investigación Aplicada / Ametek		potenciostato capaz de recoger voltaje de circuito abierto, ciclos de batería galvanósticos/potenciostáticos y espectroscopía de impedancia electroquímica
Calorímetro de velocidad de aceleración de volumen extendido	Tecnologías		de riesgo térmicoSistema de tamaño medio, gama de muestras: componentes a baterías. Volumen de trabajo: 0,57 m3
cinta de alta temperatura
	varias		celdas recargables de óxido de metal mixto versus grafito celda de iones de litio en factor de forma 18650
calentador de estera	Factor		de forma y tamaño dependiente de la celda de la batería para mediciones de capacidad calorífica
esférica	Tecnologías		de riesgo térmicobomba de pequeño volumen para la calibración de ARC

Princeton celda de batería de iones de litio no específica de forma Omega factor bomba