In situ Análisis de gases y caracterización del fuego de celdas de iones de litio durante la fuga térmica utilizando una cámara ambiental

Byoungchul Kwon; Wohan Cui; Ankit Sharma; Ya-Ting Liao; Fumiaki Takahashi; Daniel Juarez-Robles; Mohammad Parhizi; Judith Jeevarajan

doi:10.3791/65051

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Artículo de método

In situ Análisis de gases y caracterización del fuego de celdas de iones de litio durante la fuga térmica utilizando una cámara ambiental

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DOI:

10.3791/65051

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31 de marzo de 2023

Byoungchul Kwon¹ , Wohan Cui¹ , Ankit Sharma¹ , Ya-Ting Liao¹ , Fumiaki Takahashi¹ , Daniel Juarez-Robles² , Mohammad Parhizi² , Judith Jeevarajan²

¹Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Case Western Reserve University, ²UL Research Institutes

En este artículo

Resumen

Aquí, describimos un procedimiento de prueba desarrollado para caracterizar la fuga térmica y los incendios en celdas de iones de litio a través de mediciones in situ de varios parámetros en una cámara ambiental.

Resumen

Se desarrollan un aparato experimental y un procedimiento operativo estándar (SOP) para recopilar datos resueltos en el tiempo sobre las composiciones de gas y las características de fuego durante y después de la fuga térmica de las celdas de la batería de iones de litio (LIB). Una celda cilíndrica 18650 está condicionada a un estado de carga deseado (SOC; 30%, 50%, 75% y 100%) antes de cada experimento. La celda acondicionada es forzada a una fuga térmica por una cinta calefactora eléctrica a una velocidad de calentamiento constante (10 °C / min) en una cámara ambiental (volumen: ~ 600 L). La cámara está conectada a un analizador de gas infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) para mediciones de concentración en tiempo real. Se utilizan dos videocámaras para grabar eventos importantes, como la ventilación de la celda, la fuga térmica y el posterior proceso de grabación. También se registran las condiciones de la celda, como la temperatura de la superficie, la pérdida de masa y el voltaje. Con los datos obtenidos, las pseudopropiedades de la celda, las composiciones de gases de ventilación y la tasa de masa de ventilación se pueden deducir como funciones de la temperatura de la celda y el SOC de la celda. Si bien el procedimiento de prueba se desarrolla para una sola celda cilíndrica, se puede extender fácilmente para probar diferentes formatos de celdas y estudiar la propagación del fuego entre múltiples células. Los datos experimentales recopilados también se pueden utilizar para el desarrollo de modelos numéricos para incendios LIB.

Introducción

En las últimas décadas, las baterías de iones de litio (LIB) han ganado popularidad y se han beneficiado de enormes avances tecnológicos. Debido a varias ventajas (por ejemplo, alta densidad de energía, bajo mantenimiento, bajos tiempos de autodescarga y carga, y larga vida útil), el LIB se ha considerado una tecnología prometedora de almacenamiento de energía y se ha utilizado ampliamente en diversas aplicaciones, como grandes sistemas de almacenamiento de energía (ESS), vehículos eléctricos (EV) y dispositivos electrónicos portátiles. Si bien se espera que la demanda mundial de células LIB se duplique de 725 GWh en 2020 a 1.500 GWh en 2030¹, ....