Method Article

האצת קלורימטריית קצב וטכניקות משלימות לאפיון סכנות בטיחות הסוללה

DOI:

10.3791/60342

⸱

September 15th, 2021

 ,  , 
1Chemistry Division, U.S. Naval Research Laboratory, 2NRL/NRC Post-doctoral Research Associate

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

שיטה לאפיון סכנות הכשל הפוטנציאליות של סוללות ליתיום מושגת עם קלורימטריית קצב מואצת. שחרור חום ולחץ, תצפית חזותית על אירוע הכשל ולכידת גזים מפותחים נאספים בניסוי זה כדי לזהות את האיומים האמינים הגרועים ביותר של סוללות שנלקחו לכשל.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הסכנות הקשורות לכימיה של סוללות מבוססות ליתיום מתועדות היטב בשל אופיין הקטסטרופלי. הסיכון מוערך בדרך כלל באופן איכותי באמצעות מטריצת סיכונים הנדסית. בתוך המטריצה, אירועים שעלולים להיות מסוכנים מסווגים ומדורגים במונחים של חומרה והסתברות כדי לספק מודעות מצבית למקבלי החלטות ובעלי עניין. האופי הסטוכסטי של כשלים בסוללות, במיוחד הכימיה של ליתיום-יון, מקשה על הערכה נכונה של ציר ההסתברות של מטריצה. למרבה המזל, קיימים כלי אפיון, כגון קלורימטריית קצב מואץ (ARC), המאפיינים דרגות של חומרת כשל בסוללה. נעשה שימוש נרחב ב-ARC לאפיון כימיקלים ריאקטיביים, אך יכול לספק יישום חדש לגרימת כשלים בסוללות בתנאי ניסוי בטוחים ומבוקרים ולכמת פרמטרי בטיחות קריטיים. בשל האופי החזק של קלורימטר הנפח המורחב, תאים עלולים להילקח בבטחה לכישלון עקב מגוון התעללות: תרמית (חימום פשוט של התא), אלקטרוכימית (טעינת יתר), חשמלית (קצר חשמלי חיצוני) או פיזית (ריסוק או חדירת ציפורניים). מאמר זה מתאר את ההליכים להכנה ומכשיר של תא סוללת ליתיום-יון מסחרי עבור כשל ב-ARC באיסוף נתוני בטיחות יקרי ערך: התחלת בריחה תרמית, אנדותרמיה הקשורה להתכת מפריד פולימרים, שחרור לחץ במהלך בריחה תרמית, איסוף גזי עבור אפיון אנליטי, טמפרטורה מקסימלית של תגובה שלמה ותצפית חזותית על תהליכי פירוק באמצעות בורסקופ בטמפרטורה גבוהה (אוורור ותא יכולים לפרוץ). נעשה שימוש בשיטת "חום-המתנה-חיפוש" תרמית כדי לגרום לכשל בתאים, שבה הסוללה מחוממת בהדרגה לנקודה מוגדרת, ואז המכשיר מזהה ייצור חום מהסוללה. כאשר חום מייצר עליית טמפרטורה בסוללה, טמפרטורת הקלורימטר עוקבת אחר עליית טמפרטורה זו, ושומרת על מצב אדיאבטי. לכן, התא אינו מחליף חום עם הסביבה החיצונית, כך שכל ייצור החום מהסוללה תחת כשל נלכד.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

סוללות נטענות, במיוחד כימיה של ליתיום-יון, אפשרו תפקוד של חברה חשמלית המקיפה את כל ההיבטים של חיי היומיום כגון תחבורה, תקשורת ובידור. עבור יישומי אחסון אנרגיה אלה, קיבולת הטעינה שווה לטווח או לזמן ריצה. מקסום פרמטרים אלה מוביל לתאי ליתיום-יון באנרגיה גבוהה במיוחד. לרוע המזל, ככל שהאנרגיה החשמלית בתוך תאי ליתיום-יון גדלה, כך גם שחרור אנרגיה מזיק כאשר מתרחש כשל1. מספר סוכנויות רגולטוריות, אגודות מקצועיות ומעבדות עצמאיות פיתחו תקנים לאפיון טוב יותר של הבטיחות של סוללות נטענות. שיטה אחת המשמשת לכימות העוצמה התרמית של אירוע בטיחות סוללה היא קלורימטריית קצב מואץ (ARC)2,3

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. כיול קלורימטר

הערה: חשוב לכייל את הקלורימטר כך שיתאים לכל שינוי בתנאי העברת החום מ/אל אותו תא (למשל, חיבור כבלי חשמל בקוטר גדול לתא) או החלפת הצמד התרמי הראשי למדידה. יש לכייל מחדש את המכשיר לאחר תקופה של 2-3 חודשים, מכיוון שתגובות הצמד התרמי יכולות להשתנות בשימוש ממושך.

  1. השתמש בכלי כדורי קטן או "פצצה" לכיול הקלורימטר.
  2. חבר פצצה כדורית ריקה מחומר ידוע (כלומר, טיטניום, נירוסטה, אלומיניום וכו') לחלק התחתון של מכסה הקלורימטר.
  3. ודא שהקלורימטר נקי וללא פסולת.
  4. התאם את תנאי הכיול לתנאי הבדיקה הצפויים. כל מתקנים מיוחדים חייבים להיות נוכחים בתוך החדר במיקום הצפוי לכיול נכון.
  5. חבר את קצה חוט הצמד התר....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

נתונים מייצגים מניסוי HWS של תא סוללת ליתיום-יון מסחרי 18650 טעון במלואו מסופקים באיור 4A,B. האיור מציג את טמפרטורת התא כפונקציה של זמן במהלך מערך בדיקת ARC "סגור". מאפיינים תרמיים בסיסיים (התחלת T, T מקסימום ו- ΔT) מודגשים באיור. המיקום שלהופעת T הוא תחילתו של השלב האקסותרמי, שנמשך עד שמגיעיםל-T max . מתח התא יחד עם הלחץ המרבי והשינוי בלחץ (Pmax ו-ΔP, בהתאמה) עשויים להיאסף גם במהלך ניסוי זה. ניתן לבצע ניתוח גז על תוצרי .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הליך בדיקת ה-HWS שהושג עם מכשיר ה-ARC הוא קריטי לקביעת האיום הבטיחותי האמין הגרוע ביותר שמציב סוללת ליתיום-יון. המדידות של טמפרטורת התחלת החום העצמי והטמפרטורה המקסימלית במהלך בריחה תרמית מספקות את הנתונים האובייקטיביים הדרושים כדי להעריך במדויק את הבטיחות של תאי ליתיום-יון. באמצעות ניסויים מבוססי ARC, ניתן למדוד מדדי בטיחות סוללה בצורה מבוקרת וניתנת לשחזור.

מגבלה אחת של מכשיר ה-ARC היא שנפח הקלורימטר חייב להתאים את קנה המידה לחומר או לתא הסוללה הנבדק. לכן, הח.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מודים למר דני מונטגומרי מ-Thermal Hazard Technology על הערותיו והצעותיו הרבות ומעוררות התובנות. המחברים מודים למשרד המחקר הימי ולמשרד התחבורה - מינהל בטיחות צינורות וחומרים מסוכנים על מימון, תמיכה ורכש של קלורימטר קצב מואץ.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
בורסקופאופטרוניקסקשיח, בורסקופ בטמפרטורה גבוהה
מעבדת אנרגיה פוטנציוסטטפרינסטון מחקר יישומי / אמטקפוטנציוסטט מסוגל לאסוף מתח מעגל פתוח, מחזור סוללות גלוונוסטי/פוטנציוסטטי וספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימית
נפח מורחב קצב האצה קלורימטרטכנולוגיות סכנה תרמיתמערכת בינונית, טווח מדגם: רכיבים לסוללות. נפח עבודה: 0.57 מ"ק
קלטת בטמפרטורה גבוהה
תחמוצת מתכת מעורבת נטענת שונות לעומת תא ליתיום-יון גרפיט במחמם מחצלת גורם צורה 18650
פצצת נפח קטנה לכיול ARC
תא סוללת ליתיום-יון לא ספציפי גורם צורה וגודל תלויים בתא הסוללה למדידות קיבולת חום פצצה כדורית טכנולוגיות סכנה תרמית

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Love, C. T. Perspective on the Mechanical Interaction Between Lithium Dendrites and Polymer Separators at Low Temperature. Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage. 13 (3), (2016).
  2. Doughty, D. H., Roth, E. P.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Accelerated Rate CalorimetryBattery Safety HazardsThermal Runaway OnsetPolymer Separator MeltingPressure Release AnalysisGaseous Collection CharacterizationMaximum Temperature ReactionHigh Temperature BorescopeHeat Wait Seek MethodAdiabatic Calorimetry
Video Coming Soon

Related Articles