Calorimetria a velocità accelerata e tecniche complementari per caratterizzare i rischi per la sicurezza delle batterie

Summary

Un metodo per caratterizzare i potenziali rischi di guasto delle batterie al litio si ottiene con la calorimetria a velocità accelerata. Il rilascio di calore e pressione, l'osservazione visiva dell'evento di guasto e la cattura dei gas evoluti sono raccolti in questo esperimento per identificare le peggiori minacce credibili delle batterie portate al guasto.

Abstract

I rischi associati alle sostanze chimiche delle batterie a base di litio sono ben documentati a causa della loro natura catastrofica. Il rischio è in genere valutato qualitativamente attraverso una matrice di rischio ingegneristico. All'interno della matrice, gli eventi potenzialmente pericolosi sono classificati e classificati in termini di gravità e probabilità per fornire consapevolezza situazionale ai responsabili delle decisioni e alle parti interessate. La natura stocastica dei guasti delle batterie, in particolare la chimica degli ioni di litio, rende difficile valutare correttamente l'asse di probabilità di una matrice. Fortunatamente, esistono strumenti di caratterizzazione, come la calorimetria a velocità accelerata (ARC), che caratterizzano i gradi di gravità dei guasti della batteria. L'ARC è stato ampiamente utilizzato per caratterizzare le sostanze chimiche reattive, ma può fornire una nuova applicazione per indurre guasti alle batterie in condizioni sperimentali sicure e controllate e quantificare i parametri critici di sicurezza. A causa della natura robusta del calorimetro a volume esteso, le celle possono essere portate in modo sicuro al guasto a causa di una varietà di abusi: termici (semplice riscaldamento della cella), elettrochimici (sovraccarico), elettrici (cortocircuito esterno) o fisici (schiacciamento o penetrazione di chiodi). Questo articolo descrive le procedure per preparare e strumentare una cella di batteria agli ioni di litio commerciale per guasti in un ARC per raccogliere preziosi dati di sicurezza: inizio della fuga termica, endotermia associata alla fusione del separatore di polimeri, rilascio di pressione durante la fuga termica, raccolta gassosa per la caratterizzazione analitica, temperatura massima di reazione completa e osservazione visiva dei processi di decomposizione utilizzando un boroscopio ad alta temperatura (lo sfiato e la cella possono rompersi). Per indurre il guasto della cella viene utilizzato un metodo termico "heat-wait-seek", in cui la batteria viene riscaldata in modo incrementale fino a un punto di regolazione, quindi lo strumento identifica la generazione di calore dalla batteria. Poiché il calore genera un aumento di temperatura nella batteria, la temperatura del calorimetro segue questo aumento di temperatura, mantenendo una condizione adiabatica. Pertanto, la cella non scambia calore con l'ambiente esterno, quindi tutta la generazione di calore dalla batteria in guasto viene catturata.

Introduction

Le batterie ricaricabili, in particolare la chimica agli ioni di litio, hanno permesso il funzionamento di una società completamente elettrica che comprende tutti gli aspetti della vita quotidiana come i trasporti, le comunicazioni e l'intrattenimento. Per queste applicazioni di accumulo di energia, la capacità di carica equivale all'autonomia o all'autonomia. La massimizzazione di questi parametri porta a celle agli ioni di litio ad alta energia. Sfortunatamente, con l'aumento dell'energia elettrica all'interno delle celle agli ioni di litio, aumenta anche il rilascio di energia dannosa quando si verifica un guasto^1....

Protocol

1. Taratura del calorimetro

NOTA: È importante calibrare il calorimetro per adattarsi a eventuali variazioni delle condizioni di trasferimento del calore da/verso la stessa cella (ad esempio, collegando cavi elettrici di grande diametro alla cella) o sostituendo la termocoppia di misura principale. Lo strumento deve essere ricalibrato dopo un periodo di 2-3 mesi, poiché le risposte della termocoppia possono cambiare con l'uso prolungato.

1. Utilizzare un piccolo recipiente sferico o una "bomba" per la calibrazione del calorimetro.
2. Attacca una bomba sferica vuota di materiale noto (ad es. titanio, acciaio inossidabile, all....

Results

I dati rappresentativi dell'esperimento HWS di una cella di batteria agli ioni di litio 18650 commerciale completamente carica sono forniti nella Figura 4A, B. La figura mostra la temperatura della cella in funzione del tempo durante una configurazione di test ARC "chiusa". Le caratteristiche termiche di base (_{T onset}, T_max e ΔT) sono evidenziate nella figura. La posizione di_insorgenza della T è l'inizio della fase esotermica, che continua fi.......

Discussion

La procedura di test HWS eseguita con lo strumento ARC è fondamentale per determinare la peggiore minaccia credibile per la sicurezza rappresentata da una batteria agli ioni di litio. Le misurazioni della temperatura di insorgenza del calore autonomo e della temperatura massima durante la fuga termica forniscono i dati oggettivi necessari per valutare con precisione la sicurezza delle celle agli ioni di litio. Attraverso l'uso di esperimenti basati su ARC, le metriche di sicurezza della .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
boroscopio	Optronica Boroscopio		rigido ad alta temperatura
Laboratorio energetico Potenziostato	Ricerca applicata di Princeton / Potenziostato Ametek		in grado di raccogliere la tensione a circuito aperto, il ciclo della batteria galvanostico/potenziostatico e la spettroscopia di impedenza elettrochimica
Calorimetro a velocità accelerata a volume esteso	Tecnologie		per il rischio termicoSistema di medie dimensioni, gamma di campioni: dai componenti alle batterie. Volume di lavoro: 0,57 m3
di nastro ad alta temperatura
della batteria agli ioni di litio	varie		celle ricaricabili agli ioni di litio di ossido di metallo misto contro grafite nel fattore di forma 18650
riscaldatore opaco	di forma Omega		e dimensioni dipendenti dalla cella della batteria per le misurazioni della capacità termica
bomba sferica	Thermal Hazard Technologies		bomba di piccolo volume per la calibrazione dell'ARC