$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Oplaadbare batterijen, met name lithium-ionchemie, hebben het mogelijk gemaakt om een volledig elektrische samenleving te creëren die alle aspecten van het dagelijks leven omvat, zoals transport, communicatie en entertainment. Voor deze toepassingen voor energieopslag is de laadcapaciteit gelijk aan actieradius of looptijd. Het maximaliseren van deze parameters leidt tot lithium-ioncellen met een agressief hoge energie. Helaas, naarmate de elektrische energie in lithium-ioncellen toeneemt, neemt ook de schadelijke energieafgifte toe wanneer er een storing optreedt1. Een aantal regelgevende instanties, beroepsverenigingen en onafhankelijke laboratoria hebben normen ontwikkeld om de veiligheid van oplaadbare batterijen beter te karakteriseren. Een methode die wordt gebruikt om de thermische intensiteit van een batterijveiligheidsgebeurtenis te kwantificeren, is versnelde snelheidscalorimetrie (ARC)2,3. Dit type calorimetrie wordt bijna-adiabatisch uitgevoerd om expliciete warmteopwekking van een materiaal of batterijcel op te vangen bij het begin van een exotherme reactie, en vervolgens door thermische runaway- en verbrandingsreactieprocessen. Het ARC-instrument biedt de mogelijkheid om de worstcase-warmte-, druk- en gasontwikkeling van een exotherme materiaalreactie in een veilige en gecontroleerde laboratoriumomgeving te karakteriseren.
Het ARC-instrument werd voor het eerst ontwikkeld in de jaren 1970 om exotherme wegloopreacties van gevaarlijke en reactieve chemicaliën op veilige schaal te simuleren en de gevaren van reactieve chemicaliën te evalueren om veiligheidsprocedures te bedenken voor hantering, gebruik, opslag en transport4. In het begin van de jaren 1980 werd ARC voor het eerst gebruikt voor het bestuderen van thermische runaway-reacties in lithiumcellen. De ARC werkt door middel van "adaptieve adiabatische controle", wat betekent dat de temperatuur van de calorimeter probeert overeen te komen met de celtemperatuur terwijl er een reactie plaatsvindt. Er is ook geen warmte-uitwisseling tussen het te testen monster en de omgeving. Naarmate de cel zichzelf verwarmt en de temperatuur stijgt, wordt de warmteoverdracht tussen de cel en zijn omgeving geminimaliseerd. Een schema van de ARC-kamer met verwarmingselementen en locaties voor het testen van lithium-ioncellen wordt weergegeven in figuur 1.
Het ARC-instrument is verkrijgbaar in verschillende maten voor een breed scala aan batterijmaterialen, celcomponenten, cellen, batterijen en batterijmodules, zoals weergegeven in tabel 1. De ARC biedt ook een reeks testprotocollen voor thermische analyse, waaronder de meest voorkomende voor veiligheidskarakterisering van lithium-ionbatterijen, bekend als heat-wait-seek (HWS). ARC-metingen kunnen worden uitgevoerd in een "open" of "gesloten" testconfiguratie. Het belangrijkste verschil tussen deze twee testconfiguraties is de mogelijkheid om druk- en gasbemonsteringsmetingen uit te voeren in het gesloten systeem. De open configuratie leent zich voor visuele observatie door middel van een hogetemperatuurcamera of borescope 4,5. Het gebruik van een klein bolvormig drukvat of "bom" is in de ARC gebruikt om de reactiewarmteafgifte van batterij-elektrodematerialen te meten6. Doorgaans wordt de warmteafgifte bepaald door de lithiumconcentratie in de materialen en wordt deze intenser in de aanwezigheid van organische elektrolytoplosmiddelen en lithiumzouten 7,8. Op cellulair niveau is een ARC met een groter volume nodig om de warmte, druk en gasafgifte van het thermische runaway-proces veilig vast te houden. Bovendien kunnen functies in het ARC-instrument worden ingebouwd om batterijstoringen te veroorzaken via spijkerpenetratie, elektrochemische overbelasting of externe kortsluiting.
Sandia National Laboratory is van oudsher een leider op het gebied van ARC-karakterisering van batterijen ter ondersteuning van de Amerikaanse ministeries van Energie en Transport. Sandia heeft veel rapporten gepubliceerd waarin het belang ervan wordt benadrukt bij het genereren van kritieke veiligheidsgegevens, die het federale beleid en de veiligheidsnormen hebben beïnvloed 9,10. In het rapport bieden ze optimale testparameters, gegevensverzameling en rapportagecriteria9. De meeste van de aanbevolen praktijken worden in dit artikel toegepast om het thermische gevaar van een enkele cilindrische lithium-ioncel onder thermische runaway te karakteriseren met behulp van het HWS-protocol. In het bijzonder kan de ARC objectief kwantitatief bewijs leveren van factoren die van invloed zijn op de veiligheid van lithium-ionbatterijen en batterijmaterialen (d.w.z. maximale temperatuur, verwarmingssnelheid als functie van tijd/temperatuur, ontluchtingsgas als functie van tijd/temperatuur en chemische analyse van gevaarlijke stoffen uit afgeblazen gas en rook) tijdens een batterijstoring.
Het meest gebruikte ARC-testprotocol voor het testen van de veiligheid van batterijen is HWS. Het HWS-protocol biedt een nauwkeurige detectie van exotherme reacties die optreden in lithium-ioncellen en is nauwkeuriger dan een eenvoudige opgevoerde verwarmingsmodus. Dit is de standaardmethode voor de karakterisering van de thermische runaway van batterijen. De kamer wordt verwarmd tot een initiële starttemperatuur, vervolgens wordt een wachttijd toegepast die afhankelijk is van de monstermassa en de warmteoverdrachtseigenschappen. Na deze stap zoekt de calorimeter naar een exotherm die groter is dan de ingestelde gevoeligheid (bijv. 0,02 °C/min). Als er binnen de toegewezen periode geen exotherm wordt waargenomen, verwarmt de kamer opnieuw met een gedefinieerde temperatuurstap (bijv. 5 °C) en wordt het proces herhaald. Figuur 2 toont het processtroomdiagram voor HWS (Figuur 2A) en experimentele gegevens die de verschillende stadia van HWS illustreren door de eerste paar iteraties (Figuur 2B).
De volledige definities van elk van de teststappen in het HWS-protocol zijn als volgt. De warmtemodus is het vermogen dat aan kamerverwarmers wordt gegeven om de temperatuur van de kamer en het te testen apparaat (DUT) te verhogen. De wachtmodus treedt op wanneer een thermisch evenwicht tot stand is gebracht tussen de calorimeter en de bom of het testartikel. De zoekmodus treedt op wanneer berekeningen van de temperatuurverandering worden bepaald en de tijd betrekking heeft op de verandering in gevoeligheid, meestal 0,02 °C/min. De koelmodus wordt gestart aan het einde van een test, wanneer een maximale temperatuur of druk is bereikt. Het traditionele koelmechanisme houdt in dat een inert gas zoals stikstof in de kamer wordt gepompt. Als alternatief kan vloeibare stikstof in de kamer worden gebracht om de koeling te versnellen. De Exotherm-modus verwijst naar een temperatuurstijging die wordt waargenomen nadat een zoekstap exotherm wordt genoemd. Dit beschrijft een omgeving waarin de zelfverhitting van het testartikel groter is dan de geselecteerde gevoeligheid, meestal 0,02 °C/min. De exotherm-modus gaat door totdat de snelheid van zelfverhitting onder de gewenste gevoeligheid daalt, waarna een andere warmtemodus wordt geactiveerd en de heat-wait-seek-reeks doorgaat totdat een maximale temperatuur- of druklimiet is bereikt.