Calorimétrie à taux d’accélération et techniques complémentaires pour caractériser les risques pour la sécurité des batteries

Summary

Une méthode de caractérisation des risques de défaillance potentiels des batteries au lithium est réalisée avec une calorimétrie à taux d’accélération. La libération de chaleur et de pression, l’observation visuelle de l’événement de défaillance et la capture des gaz émis sont collectées dans cette expérience pour identifier les pires menaces crédibles de batteries en panne.

Abstract

Les dangers associés à la chimie des batteries à base de lithium sont bien documentés en raison de leur nature catastrophique. Le risque est généralement évalué qualitativement à l’aide d’une matrice des risques d’ingénierie. Dans la matrice, les événements potentiellement dangereux sont catégorisés et classés en fonction de leur gravité et de leur probabilité afin de fournir une connaissance de la situation aux décideurs et aux intervenants. La nature stochastique des défaillances des batteries, en particulier la chimie lithium-ion, rend l’axe de probabilité d’une matrice difficile à évaluer correctement. Heureusement, il existe des outils de caractérisation, tels que la calorimétrie à taux accéléré (ARC), qui caractérisent les degrés de gravité de la défaillance des batteries. L’ARC a été largement utilisé pour caractériser les produits chimiques réactifs, mais peut fournir une nouvelle application pour induire des défaillances de batteries dans des conditions expérimentales sûres et contrôlées et quantifier les paramètres de sécurité critiques. En raison de la nature robuste du calorimètre à volume étendu, les cellules peuvent être entraînées en toute sécurité à la défaillance en raison de divers abus : thermiques (simple chauffage de la cellule), électrochimiques (surcharge), électriques (court-circuit externe) ou physiques (écrasement ou pénétration du clou). Cet article décrit les procédures de préparation et d’instrumentation d’une cellule de batterie lithium-ion commerciale en cas de défaillance dans un ARC afin de collecter des données de sécurité précieuses : début de l’emballement thermique, endotherme associé à la fusion du séparateur de polymères, libération de la pression pendant l’emballement thermique, collecte gazeuse pour la caractérisation analytique, température maximale de la réaction complète et observation visuelle des processus de décomposition à l’aide d’un endoscope à haute température (l’évacuation et la cellule peuvent percer). Une méthode thermique de « recherche de chaleur » est utilisée pour induire la défaillance de la cellule, dans laquelle la batterie est chauffée progressivement jusqu’à un point de consigne, puis l’instrument identifie la génération de chaleur de la batterie. Comme la chaleur génère une augmentation de la température dans la batterie, la température du calorimètre suit cette augmentation de température, maintenant une condition adiabatique. Par conséquent, la cellule n’échange pas de chaleur avec l’environnement extérieur, de sorte que toute la génération de chaleur de la batterie en cas de défaillance est capturée.

Introduction

Les batteries rechargeables, en particulier la chimie lithium-ion, ont permis le fonctionnement d’une société entièrement électrique englobant tous les aspects de la vie quotidienne tels que le transport, la communication et le divertissement. Pour ces applications de stockage d’énergie, la capacité de charge équivaut à la portée ou à l’autonomie. L’optimisation de ces paramètres conduit à des cellules lithium-ion à haute énergie agressive. Malheureusement, à mesure que l’énergie électrique augmente dans les cellules lithium-ion, la libération d’énergie préjudiciable en cas de^{défaillance 1.} Un certain nombre d’....

Protocol

1. Étalonnage du calorimètre

REMARQUE : Il est important d’étalonner le calorimètre pour s’adapter à tout changement des conditions de transfert de chaleur vers/depuis la même cellule (par exemple, connexion de câbles électriques de grand diamètre à la cellule) ou remplacement du thermocouple de mesure principal. L’instrument doit être réétalonné après une période de 2 à 3 mois, car les réponses du thermocouple peuvent changer en cas d’utilisation prolongée.

1. Utilisez un petit récipient sphérique ou une « bombe » pour l’étalonnage du calorimètre.
2. Fixez une bombe sphérique vide de matériau connu (c’est-à-dire titane, aci....

Results

Les données représentatives de l’expérience HWS d’une cellule de batterie lithium-ion commerciale 18650 entièrement chargée sont fournies dans les figures 4A, B. La figure montre la température de la cellule en fonction du temps pendant une installation d’essai ARC « fermée ». Les caractéristiques thermiques de base (_{T startet, T max} et ΔT) sont mises en évidence dans la figure. L’emplacement de_{l’apparition} de T est le début de l’étape exothe.......

Discussion

La procédure d’essai HWS réalisée avec l’instrument ARC est essentielle pour déterminer la pire menace crédible pour la sécurité posée par une batterie lithium-ion. Les mesures de la température d’auto-échauffement et de la température maximale pendant l’emballement thermique fournissent les données objectives nécessaires pour évaluer avec précision la sécurité des cellules lithium-ion. Grâce à l’utilisation d’expériences basées sur l’ARC, les mesures de sécurité des batteries peuvent êt.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
endoscope	Optronique		Endoscope rigide à haute température
Energy Lab Potentiostat	Princeton Applied Research / Ametek		Potentiostat capable de collecter la tension en circuit ouvert, cyclage galvanostique/potentiostatique de la batterie et spectroscopie d’impédance électrochimique
Calorimètre à taux d’accélération de volume étendu	Technologies		de risque thermiqueSystème de taille moyenne, gamme d’échantillons : des composants aux batteries. Volume de travail : bande haute température 0,57 m3
cellule de batterie lithium-ion		divers oxyde métallique mixte rechargeable contre graphite cellule lithium-ion au facteur de forme 18650
			bombe de petit volume pour l’étalonnage de l’ARC