리튬 배터리의 잠재적 고장 위험을 특성화하는 방법은 가속 속도 열량계를 통해 달성됩니다. 이 실험에서는 열 및 압력 방출, 고장 이벤트의 시각적 관찰 및 방출된 가스의 포획을 수집하여 고장으로 인한 배터리의 최악의 신뢰할 수 있는 위협을 식별합니다.
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방법 논문
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리튬 배터리의 잠재적 고장 위험을 특성화하는 방법은 가속 속도 열량계를 통해 달성됩니다. 이 실험에서는 열 및 압력 방출, 고장 이벤트의 시각적 관찰 및 방출된 가스의 포획을 수집하여 고장으로 인한 배터리의 최악의 신뢰할 수 있는 위협을 식별합니다.
리튬 기반 배터리 화학 물질과 관련된 위험은 재앙적인 특성으로 인해 잘 문서화되어 있습니다. 위험은 일반적으로 엔지니어링 위험 매트릭스를 통해 정성적으로 평가됩니다. 매트릭스 내에서 잠재적으로 위험한 이벤트는 심각도와 확률 측면에서 분류되고 순위가 매겨져 의사 결정자와 이해 관계자에게 상황 인식을 제공합니다. 배터리 고장의 확률론적 특성, 특히 리튬 이온 화학은 매트릭스의 확률 축을 적절하게 평가하기 어렵게 만듭니다. 다행히도 ARC(Accelerated Rate Calorimetry)와 같은 특성화 도구가 존재하며, 이 도구는 배터리 고장의 심각도를 특성화합니다. ARC는 반응성 화학 물질을 특성화하는 데 광범위하게 사용되어 왔지만 안전하고 통제된 실험 조건에서 배터리 고장을 유도하고 중요한 안전 매개변수를 정량화하는 새로운 응용 분야를 제공할 수 있습니다. 확장 부피 열량계의 견고한 특성으로 인해 세포는 열(세포의 단순 가열), 전기화학적(과충전), 전기적(외부 단락) 또는 물리적(으깬 또는 못 침투)과 같은 다양한 남용으로 인해 안전하게 고장날 수 있습니다. 이 문서에서는 열 폭주의 시작, 폴리머 분리막 용융과 관련된 흡열, 열 폭주 중 압력 해제, 분석 특성화를 위한 기체 수집, 완전 반응의 최대 온도 및 고온 내시경을 사용한 분해 공정의 육안 관찰(환기 및 셀이 파손될 수 있음)과 같은 귀중한 안전 데이터를 수집하기 위해 상업용 리튬 이온 배터리 셀을 준비하고 계측하는 절차에 대해 설명합니다. 열 "heat-wait-seek" 방법은 셀 고장을 유도하는 데 사용되며, 이 경우 배터리를 설정점까지 점진적으로 가열한 다음 기기가 배터리에서 발생하는 열을 식별합니다. 열로 인해 배터리의 온도가 상승하면 열량계 온도가 이러한 온도 상승을 따라 단열 상태를 유지합니다. 따라서 셀은 외부 환경과 열을 교환하지 않으므로 고장 난 배터리에서 발생하는 모든 열이 포착됩니다.
충전식 배터리, 특히 리튬 이온 화학은 운송, 통신 및 엔터테인먼트와 같은 일상 생활의 모든 측면을 포괄하는 완전 전기 사회의 기능을 가능하게 했습니다. 이러한 에너지 저장 응용 분야의 경우 충전 용량은 범위 또는 런타임과 동일합니다. 이러한 파라미터를 최대화하면 공격적으로 고에너지 리튬 이온 전지를 만들 수 있습니다. 불행히도 리튬 이온 전지 내에서 전기 에너지가 증가함에 따라 고장이 발생하면 해로운 에너지가 방출됩니다1. 많은 규제 기관, 전문 협회 및 독립 연구소에서 충전식 배터리의 안전성을 더 잘 특성화하기 위한 표준을 개발했습니다. 배터리 안전 이벤트의 열 강도를 정량화하는 데 사용되는 한 가지 방법은 가속 속도 열량계(ARC)2,3입니다. 이러한 유형의 열량계는 발열 반응이 시작될 때 재료 또는 배터리 셀에서 명시적 열 생성을 포착한 다음 열 폭주 및 연소 유형 반응 과정을 통해 거의 단열적으로 수행됩니다. ARC 기기는 안전하고 통제된 실험실 환경에서 발열 물질 반응으로 인한 최악의 열, 압력 및 가스 발생을 특성화할 수 있는 기회를 제공합니다.
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1. 열량계의 구경측정
참고: 동일한 셀과의 열 전달 조건의 변화(예: 큰 직경의 전기 케이블을 셀에 연결) 또는 주 측정 열전대의 교체를 수용하기 위해 열량계를 보정하는 것이 중요합니다. 열전대 응답은 장기간 사용에 따라 변경될 수 있으므로 2-3개월 후에 기기를 다시 보정해야 합니다.
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완전히 충전된 18650 상업용 리튬 이온 배터리 셀의 HWS 실험의 대표적인 데이터가 그림 4A,B에 나와 있습니다. 이 그림은 "폐쇄형" ARC 테스트 설정 중 시간의 함수로 셀 온도를 보여줍니다. 기본 열 특성(T시작, Tmax 및 ΔT)이 그림에 강조 표시되어 있습니다. T발병의 위치는 Tmax에 도달할 때까지 계속되는 발열 단계의 시작입니다. 최대 압력 및 압력 변화(각각 Pmax 및 ΔP)와 함께 셀 전압도 이 실험 중에 수집될 수 있습니다. 가스 분석은 "폐쇄" 테스트 설정에서 ARC 실험의 환기구 및/또는 연소 생성물에 대해 수행할 수 있습니다. 열폭주 반응 중에 수집된 기체 생성물에 대한 대표적인 가스 크로마토그래피는 일반적으로 전해질 용매인 디에틸 탄산염 및 전해질 분해 생성물(H2 및 HF)과 함께 연소 생성물.......
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ARC 기기로 수행된 HWS 테스트 절차는 리튬 이온 배터리로 인한 최악의 신뢰할 수 있는 안전 위협을 결정하는 데 매우 중요합니다. 자체 발열 시작 온도 및 열 폭주 중 최대 온도의 측정은 리튬 이온 전지의 안전성을 정확하게 평가하는 데 필요한 객관적인 데이터를 제공합니다. ARC 기반 실험을 사용하여 배터리 안전 지표를 제어되고 재현 가능한 방식으로 측정할 수 있습니다.
ARC 기기의 한 가지 제한 사항은 열량계 부피가 테스트 중인 재료 또는 배터리 셀에 따라 확장되어야 한다는 것입니다. 따라서 연구원은 열량계의 크기에 의해 제한되며, 이는 테스트를 위해 챔버에 얼마나 많은 누적 에너지가 도입되는지를 나타냅니다. 대부분의 학술 연구자에게는 더 작은 열량계가 배터리 재료 및 셀 구성 요소의 열적 특성을 측정하는 데 적합합니다. 산업 및 응용 연구 실험실은 고에너지 셀과 셀 또는 배터리 모듈 컬렉션을 수용할 수 있는 더.......
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저자는 공개할 내용이 없습니다.
저자는 Thermal Hazard Technology의 Danny Montgomery가 통찰력 있는 많은 의견과 제안을 해준 것에 대해 감사를 표합니다. 저자는 가속 속도 열량계의 자금 지원과 조달에 대해 해군 연구실(Office of Naval Research)과 수송-파이프라인 및 위험 물질 안전 관리국(Department of Transportation-Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration)에 감사를 표합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 붕소경 | Optronics | 강성, 고온 내시경 | |
| 에너지 연구소 전위차 오스타트 | Princeton Applied Research / Ametek | 포텐시오스탓 개방 회로 전압, 갈바노스틱/전위차 배터리 사이클링 및 전기화학적 임피던스 분광법을 수집할 수 있는 | |
| 확장 볼륨 가속 속도 열량계 | 열 위험 기술 | 중형 시스템, 샘플 범위: 구성 요소에서 배터리까지. 작업량: 0.57m3 | |
| 고온 테이프 | 비특정 | ||
| 리튬 이온 배터리 셀 | 18650 폼 팩터 매트 히터의 다양한 충전식 혼합 금속 산화물 대 흑연 리튬 이온 셀 | ||
| ARC 교정을 위한 소량 폭탄 |
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