リチウム電池の潜在的な故障の危険性を特徴付ける方法は、加速速度熱量測定によって達成されます。この実験では、熱と圧力の放出、故障イベントの視覚的観察、および発生したガスの捕捉が収集され、故障したバッテリーの最悪の信頼性の脅威が特定されます。
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方法論記事
加速速度熱量測定とバッテリーの安全上の問題の特性評価のための補完的手法
* These authors contributed equally
この記事について
サマリー
要約
リチウムベースのバッテリーの化学的性質に関連する危険性は、その壊滅的な性質のために十分に文書化されています。リスクは通常、エンジニアリングリスクマトリックスを通じて定性的に評価されます。マトリックス内では、潜在的に危険なイベントが重大度と確率の観点から分類およびランク付けされ、意思決定者と利害関係者に状況認識を提供します。バッテリーの故障の確率的性質、特にリチウムイオンの化学的性質により、行列の確率軸を適切に評価することは困難です。幸いなことに、加速速度熱量測定(ARC)など、バッテリー故障の深刻度を特徴付ける特性評価ツールが存在します。ARCは、反応性化学物質の特性評価に広く使用されていますが、安全で制御された実験条件下でバッテリーの故障を誘発し、重要な安全パラメータを定量化するための新しいアプリケーションを提供できます。拡張容量熱量計の堅牢な性質により、熱(細胞の単純な加熱)、電気化学(過充電)、電気(外部短絡)、または物理的(つぶれまたは釘の貫通)など、さまざまな乱用により、細胞が安全に故障する可能性があります。この記事では、ARCの故障に備えて商用リチウムイオン電池セルを準備し、計装して貴重な安全データを収集する手順について説明します:熱暴走の開始、ポリマーセパレータの溶融に伴う吸熱、熱暴走中の圧力解放、分析特性評価のためのガス収集、完全反応の最高温度、および高温ボアスコープを使用した分解プロセスの目視観察(ベントとセルの破損の可能性)。熱的な「ヒート・ウェイト・シーク」方式を使用してセルの故障を誘発し、バッテリを設定ポイントまで段階的に加熱すると、機器はバッテリからの発熱を識別します。熱によってバッテリーの温度が上昇すると、熱量計の温度はこの温度上昇に追従し、断熱状態を維持します。したがって、セルは外部環境と熱交換しないため、故障したバッテリーからのすべての発熱が捕捉されます。
概要
充電式電池、特にリチウムイオン化学は、輸送、通信、娯楽など、日常生活のあらゆる側面を網羅する全電化社会の機能を可能にしました。これらのエネルギー貯蔵アプリケーションでは、充電容量は航続距離またはランタイムに相当します。これらのパラメータを最大化すると、積極的に高エネルギーのリチウムイオン電池が得られます。残念ながら、リチウムイオン電池内の電気エネルギーが増加すると、故障が発生したときに有害なエネルギーが放出されます1。多くの規制当局、専門家団体、および独立した研究所が、充電式電池の安全性をより適切に特徴付けるための基準を開発しています。バッテリーの安全イベントの熱強度を定量化するために使用される方法の1つは、加速速度熱量測定(ARC)2,3です。このタイプの熱量測定は、発熱反応の開始時に材料またはバッテリーセルからの明示的な発熱を捕捉するために、ほぼ断熱的に実行されます。その後、熱暴走および燃焼タイプの反応プロセスを通じて発生します。ARC装置は、安全で制御された実験室環境での発熱材料反応による最悪の場合の熱、圧力、およびガス生成を特徴付ける機会を提供します。
ARC装置は、1970年代に最初に開発され、危険な反応性化学物質からの発熱性暴走反応を....
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プロトコル
1. 熱量計の校正
注:同じセルとの間の熱伝達条件の変化(セルへの大口径電気ケーブルの接続など)またはメイン測定熱電対の交換に対応するために、熱量計を校正することが重要です。熱電対の応答は長期間使用すると変化する可能性があるため、機器は2〜3か月後に再校正する必要があります。
- 熱量計の校正には、小さな球形の容器または「爆弾」を使用します。
- 既知の材料(チタン、ステンレス鋼、アルミニウムなど)の空の球状爆弾を熱量計の蓋の下側に取り付けます。
- 熱量計が清潔で、破片がないことを確認してください。
- キャリブレーション条件を予想されるテスト条件に一致させます。特別な固定具は、適切なキャリブレーションのために、チャンバー内の予想される場所に存在する必要があります。
- 爆弾熱電対ワイヤーの先端を球状爆弾容器の表面に接続します。キャリブレーションが正しく機能するためには、先端が爆弾に接触している必要があります。必要に応じて、熱電対線とリード線を高温テープで固定します。
- 熱量計の蓋が完全に閉じられ、蓋とベースがしっかりと接触していることを確認します。
- ブラストボックスを閉じて、熱量計を横切る気流を排除し、測定に影響を与える可能性があります。
- 校正テストには、次のパラメータを使用します:温度ステップ = 25 °C;開始温度 = 50 ....
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結果
完全に充電された18650商用リチウムイオン電池セルのHWS実験の代表的なデータを図4A、Bに示します。この図は、「クローズド」ARC試験セットアップ中の細胞温度を時間の関数として示しています。図では、基本的な熱的特徴(T開始、Tmax、およびΔT)が強調表示されています。T発症の位置は発熱ステップの始まりであり、Tmaxに達するまで続きます。この実験では、セル電圧、最大圧力、圧力の変化(それぞれP最大とΔP)も収集できます。ガス分析は、「クローズド」テストセットアップでARC実験のベントおよび/または燃焼生成物に対して実行できます。熱暴走反応中に収集されたガス状生成物の代表的なガスクロマトグラフィーは、通常、電解質溶媒のジエチルカーボネートおよび電解質分解生成物(H2およびHF)とともに、燃焼生成物(CO、CO2、およびCH2)の存在を示します。
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ディスカッション
ARC機器で達成されたHWSテスト手順は、リチウムイオン電池によってもたらされる最悪の信頼性のある安全上の脅威を決定するために重要です。自己発熱温度と熱暴走時の最高温度の測定は、リチウムイオン電池の安全性を正確に評価するために必要な客観的なデータを提供します。ARCベースの実験を使用することで、バッテリーの安全性指標を制御された再現性のある方法で測定できます。
ARC機器の1つの制限は、熱量計の容量がテスト対象の材料またはバッテリーセルに合わせてスケーリングする必要があることです。したがって、研究者は熱量計のサイズによって制限され、これにより、テストのためにチャンバーにどれだけの累積エネルギーが導入されるかが決まります。ほとんどの学術研究者にとって、バッテリー材料やセル部品の熱特性を測定するには、より小さな熱量計で十分です。工業および応用研究所では、高エネルギーセルやセルまたはバッテリーモジュールの集合体を収容できる、より大きな熱量計が必要になる可能性があります。将来的には、安全性試験手順の対象となるリチウムイオン.......
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開示事項
著者は何も開示していません。
謝辞
著者は、Thermal Hazard TechnologyのDanny Montgomery氏の多くの洞察に満ちたコメントと提案に感謝します。著者らは、加速速度熱量計の資金提供と調達について、海軍研究局と運輸パイプラインおよび危険物安全管理局に感謝します。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| ボアスコープ | オプトロニクス | リジッド、高温ボアスコープ | |
| エネルギーラボ ポテンショスタット | プリンストン 応用研究/アメテック | ポテンショスタット 開回路電圧、ガルバノスティック/ポテンショスタット バッテリーサイクリング、電気化学インピーダンス分光法を収集できる | |
| 拡張体積加速率 熱 | 量計 サーマルハザード技術 | 中型システム、サンプル範囲:コンポーネントからバッテリーまで。作業量:0.57 m3 | |
| 高温テープ | 非特異的 | ||
| リチウムイオンバッテリーセル | 18650 フォームファクターマットヒーターのさまざまな充電式混合金属酸化物対グラファイトリチウムイオンセル | ||
| ARCのキャリブレーション用小容量爆弾 |
参考文献
- 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).
- Doughty, D. H., Roth, E. P.
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再版と許可
