여기에서는 환경 챔버에서 다양한 매개변수의 현장 측정을 통해 리튬 이온 전지의 열 폭주 및 화재를 특성화하기 위해 개발된 테스트 절차를 설명합니다.
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이 논문에서
요약
초록
실험 장치 및 표준 작동 절차(SOP)는 리튬 이온 배터리(LIB) 전지의 열 폭주 중 및 열 폭주 후 가스 조성 및 화재 특성에 대한 시간 분해 데이터를 수집하기 위해 개발되었습니다. 18650 원통형 셀은 각 실험 전에 원하는 충전 상태(SOC; 30%, 50%, 75% 및 100%)로 조절됩니다. 컨디셔닝된 셀은 환경 챔버(부피: ~600L)에서 일정한 가열 속도(10°C/min)로 전기 가열 테이프에 의해 열 폭주로 강제됩니다. 챔버는 실시간 농도 측정을 위해 푸리에 변환 적외선(FTIR) 가스 분석기에 연결됩니다. 두 대의 캠코더는 세포 배출, 열 폭주 및 후속 연소 과정과 같은 주요 이벤트를 기록하는 데 사용됩니다. 표면 온도, 질량 손실 및 전압과 같은 셀의 조건도 기록됩니다. 얻어진 데이터를 통해 셀 유사 특성, 배기 가스 조성 및 배기 질량 속도를 셀 온도 및 셀 SOC의 함수로 추론할 수 있습니다. 테스트 절차는 단일 원통형 셀에 대해 개발되었지만 다양한 셀 형식을 테스트하고 여러 셀 간의 화재 전파를 연구하기 위해 쉽게 확장할 수 있습니다. 수집된 실험 데이터는 LIB 화재에 대한 수치 모델 개발에도 사용할 수 있습니다.
서론
지난 수십 년 동안 리튬 이온 배터리(LIB)는 인기를 얻었고 엄청난 기술 발전의 혜택을 받았습니다. 다양한 장점(예: 높은 에너지 밀도, 낮은 유지 보수, 낮은 자체 방전 및 충전 시간, 긴 수명)으로 인해 LIB는 유망한 에너지 저장 기술로 간주되어 왔으며 대형 에너지 저장 시스템(ESS), 전기 자동차(EV) 및 휴대용 전자 장치와 같은 다양한 응용 분야에서 광범위하게 사용되었습니다. LIB 전지에 대한 전 세계 수요는 2020년 725GWh에서 2030년 1,500GWh로 두 배로 증가할 것으로 예상되지만1, 최근 몇 년 동안 LIB와 관련된 화재 및 폭발이 크게 증가했습니다2. 이러한 사고는 LIB와 관련된 높은 위험을 보여 주어 대규모 활용에 대한 우려를 불러 일으 킵니다. 이러한 우려를 완화하기 위해서는 화재로 이어지는 LIB 열 폭주 과정을 철저히 이해하는 것이 중요합니다.
이전의 사고는 비정상적인 작동 환경(예: 외부 단락, 급속 방전, 과충전 및 물리적 손상)에서 과열로 인해 전지 전기화학이 중단되거나 제조 결함 및 열악한 설계로 인해 LIB 전지가 고장나는 것으로 나타났습니다
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프로토콜
1. FTIR 가스 분석기 시동
알림: 절차는 FTIR 가스 분석기의 브랜드 및 모델에 따라 다를 수 있습니다. 다음 절차는 이 작업에 사용된 특정 가스 분석기에 대한 것입니다.
- 필터/밸브 장치에 새 필터 또는 깨끗한 필터(즉, 초음파 수조에서 세척한 필터)를 설치합니다(그림 1 및 그림 2 참조).
- 가스 분석기에 연결된 질소 실린더의 밸브를 엽니다( 그림 2 참조). 질소 유량을 150-250cc/min으로 조정합니다.
알림: 이것은 가스 분석기의 사전 / 사후 테스트 세척 중 N2 퍼징을 준비하기위한 것입니다. - 제조업체 매뉴얼 "FTT 연기 밀도 챔버 표준 작동 절차를 위한 FTIR 및 PAS Pro"24, 버전 3.1에 설명된 FTIR 시작 절차를 따르십시오.
알림: FTIR이 작동하는 동안 FTIR과 챔버 사이의 가스 라인( 그림 2 참조)은 가스 응결을 방지하기 위해 ....
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결과
화재가 있거나 없는 일반적인 열 폭주 과정을 나타내는 비디오는 각각 보충 파일 1 및 보충 파일 2에 포함되어 있습니다. 주요 이벤트는 그림 5에 나와 있습니다. 셀 온도가 상승하면(~110-130°C로) 셀이 팽창하기 시작하여 내부 압력이 상승함을 나타냅니다(전해질의 기화 및 셀내부의 가스 열팽창으로 인해 발생) 2). 그 다음에는 벤팅 포트의 개방과 배기 가스의 방출이 뒤따른다(각각 그림 5A 및 5B). 점진적인 환기 과정은 몇 분 동안 계속됩니다. 그 후, 세포가 풍부하게 배출되기 시작하고(그림 5C) 열 폭주가 발생합니다(그림 5D). 이는 SOC에 관계없이 발생합니다. 더 높.......
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토론
프로토콜에서 가장 중요한 단계는 LIB 열 폭주에서 방출되는 독성 가스에 관한 단계입니다. 3.11단계의 누출 테스트는 실험 중에 유독 가스가 챔버에 갇혀 있는지 확인하기 위해 신중하게 수행해야 합니다. 챔버 가스 정화 절차(7.1-7.14단계)도 유독 가스의 위험을 완화하기 위해 적절하게 수행되어야 합니다. 유독 가스는 LIB 열 폭주 동안 배출 가스의 작은 부분만을 구성할 수 있습니다. 그러나 일부 독성 가스의 농도가 매우 낮더라도 인체 건강에 큰 위협이됩니다. OSHA(Occupational Safety and Health Administration)에서 부과한 아크롤레인 및 포름알데히드의 직업적 8시간 노출 한계는 각각 0.1ppm 및 0.75ppm으로 600L 챔버를 사용하여 측정된 값보다 현저히 낮습니다( 그림 6E 참조). 이것은 전체 테스트 동안 밀폐된 챔버를 갖고 적절한 마스크를 착용하는 것의 중요성을 강조합니다. 이것은 또한 LIB에 대한 독성 가스 방출을 .......
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공개 사항
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
감사의 글
이 연구는 UL 연구소의 지원을 받습니다. 이 작업의 모든 배터리 셀은 Case Western Reserve University(CWRU)의 Chris Yuan 교수 연구실에서 컨디셔닝 및 준비되었습니다. 테스트 챔버는 NASA Glenn Research Center에서 CWRU에 대여되어 있습니다. 우리는 CWRU의 전 박사 과정 학생인 Yumi Matsuyama 박사로부터 FTIR 가스 분석기에 대한 엄청난 지원을 받았고 Amphenol Advanced Sensors의 Jeff Tucker, Brandon Wicks 및 Brian Engle로부터 H2 센서에 대한 기술 지원을 받았습니다. CWRU의 Pushkal Kannan과 Boyu Wang의 지원에 진심으로 감사드립니다. 또한 UL Solutions의 Alexandra Schraiber와의 기술 논의에 감사드립니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 밸런스 | A& D | EJ-6100 | |
| 탄소 필터 | Whatman | WHA67041500 | |
| 전류 변환기 | NK Technologies | AT1-010-000-FT | |
| 전면 카메라 | Sony | FDR-AX53 | |
| FTIR 가스 분석기 | 화재 테스트 기술 | Protea atmosFIR AFS-A-15 | |
| 가열 테이프 (1.00" x 2.00") | Birk Manufacturing, Inc. | BK3512-19.6-L24-03 | |
| 고온 내성 테이프 | Kapton | ||
| 수소 센서 | Amphenol | AX220135 | |
| K-type, 열전대 | Omega | KMQSS-020U-12 | |
| LabVIEW | National Instruments | ||
| Matlab | MathWorks | ||
| NI-9213 | National Instruments | NI-9213 | |
| NI-9219 | National Instruments | NI-9219 | |
| NI-cDAQ-9174 | National Instruments | NI-cDAQ-9174 | |
| NI-USB-6009 | National Instruments | NI-USB-6009 | |
| PID 컨트롤러 | Omega | CN8200 | |
| PILOT5000 내화학성 다이어프램 진공 펌프 | The Lab Depot | ||
| 압력 완화 밸브 | Straval | RVL20-10T-N4675 | |
| 압력 송신기 | Keller | 0308.01601.081303.02 | |
| 순수 니켈 스트립 (0.1x5x100mm 99.6% 니켈) | U.S. Solid Product | ||
| Respirator | McMaster | 55865T52 | |
| Respirator Cartridge | Honeywell | 75Scp100L | |
| 로터리 베인 진공 펌프(0.5 hp) | Alcatel | Pascal 2010 | |
| 사이드 카메라 | Sony | HDR-CX110 | |
| 스폿 용접기 | SUNKKO | 737G+ | |
| TeamViewer | TeamViewer | ||
| 전압 변환기 | CR Magnetics Inc. | CR4510-50 |
참고문헌
- Duffner, F., et al. Post-lithium-ion battery cell production and its compatibility with lithium-ion cell production infrastructure. Nature Energy. 6 (2), 123-134 (2021).
- Wang, Q., Mao, B., Stoliarov, S. I., Sun, J.
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