Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Ter plaatse Gasanalyse en brandkarakterisering van lithium-ioncellen tijdens thermische wegloop met behulp van een omgevingskamer

4K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/65051

⸱

31 maart 2023

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Case Western Reserve University, 2UL Research Institutes

In dit artikel

Samenvatting

Hier beschrijven we een testprocedure die is ontwikkeld om thermische runaway en branden in lithium-ioncellen te karakteriseren door middel van in situ metingen van verschillende parameters in een omgevingskamer.

Samenvatting

Een experimenteel apparaat en een standaard bedrijfsprocedure (SOP) worden ontwikkeld om in de tijd opgeloste gegevens te verzamelen over de gassamenstellingen en brandkarakteristieken tijdens en na thermische wegloop van lithium-ion batterij (LIB) cellen. Een cilindrische cel uit 18650 wordt vóór elk experiment geconditioneerd tot een gewenste ladingstoestand (SOC; 30%, 50%, 75% en 100%). De geconditioneerde cel wordt door een elektrische verwarmingstape met een constante verwarmingssnelheid (10 °C/min) in een omgevingskamer (volume: ~600 L) in een thermische afvoer geperst. De kamer is aangesloten op een Fourier transform infrared (FTIR) gasanalysator voor real-time concentratiemetingen. Twee camcorders worden gebruikt om belangrijke gebeurtenissen vast te leggen, zoals celontluchting, thermische wegloop en het daaropvolgende brandproces. De omstandigheden van de cel, zoals oppervlaktetemperatuur, massaverlies en spanning, worden ook geregistreerd. Met de verkregen gegevens kunnen pseudo-eigenschappen van cellen, afluchtingsgassamenstellingen en afluchtingsmassasnelheid worden afgeleid als functies van celtemperatuur en cel-SOC. Hoewel de testprocedure is ontwikkeld voor een enkele cilindrische cel, kan deze gemakkelijk worden uitgebreid om verschillende celformaten te testen en brandvoortplanting tussen meerdere cellen te bestuderen. De verzamelde experimentele gegevens kunnen ook worden gebruikt voor de ontwikkeling van numerieke modellen voor LIB-branden.

Inleiding

In de afgelopen decennia hebben lithium-ionbatterijen (LIBs) aan populariteit gewonnen en geprofiteerd van enorme technologische vooruitgang. Vanwege verschillende voordelen (bijv. Hoge energiedichtheid, weinig onderhoud, lage zelfontladings- en laadtijden en lange levensduur), wordt de LIB beschouwd als een veelbelovende energieopslagtechnologie en op grote schaal gebruikt in verschillende toepassingen, zoals grote energieopslagsystemen (ESS's), elektrische voertuigen (EV's) en draagbare elektronische apparaten. Hoewel de wereldwijde vraag naar LIB-cellen naar verwachting zal verdubbelen van 725 GWh in 2020 tot 1.500 GWh in 20301, is er de afgelopen jaren een aanzienlijke toename van branden en explosies gerelateerd aan LIBs2. Deze ongevallen tonen de hoge risico's aan die verbonden zijn aan LIBs, waardoor bezorgdheid ontstaat over het grootschalige gebruik ervan. Om deze zorgen weg te nemen, is het cruciaal om een grondig inzicht te krijgen in het proces van LIB thermische wegloop die tot branden leidt.

Eerdere ongevallen hebben aangetoond dat LIB-cellen falen wanneer de celelektrochemie wordt verstoord door oververhitting in abnormale bedrijfsomstandigheden (zoals externe kortsluiting, snelle ontlading, overladen en fysieke schade) of als gevolg van fabricagefouten en slecht ontwerp 2,3,4. Deze gebeurtenissen leiden tot de ontbinding van de vaste-elektrolytinterface (SEI), waardoor sterk exotherme chemische reacties tussen elektrodematerialen en elektrolyten worden gestimuleerd. Wanneer de warmte die in deze reacties wordt geproduceerd, groter is dan die wordt afgevoerd, resulteert dit in een snelle zelfverhitting van de cellen, ook bekend als thermische runaway. De interne temperatuur en druk kunnen blijven stijgen totdat de opgebouwde druk ervoor zorgt dat de batterij scheurt en brandbare, giftige gassen bij hoge snelheid vrijkomen. In een batterijconfiguratie met meerdere cellen kan een thermische wegloop in een enkele cel, indien niet gecontroleerd, leiden tot thermische op hol geslagen voortplanting naar andere cellen en incidenten van brand en explosie op catastrofale niveaus, vooral in afgesloten ruimtes met beperkte ventilatie. Dit vormt een aanzienlijke bedreiging voor de veiligheid en structuren van de mens.

In de afgelopen decennia zijn een aantal studies uitgevoerd om de thermische wegloopreacties van LIBs te onderzoeken die leiden tot de verbranding van organische elektrolyten in de batterij en het vrijkomen van brandbare gassen onder verschillende verwarmingsomstandigheden 2,5,6,7,8,9,10,11,12. Jhu et al.10 toonden bijvoorbeeld de gevaarlijke aard van geladen cilindrische LIBs in vergelijking met ongeladen LIBs met behulp van een adiabatische calorimeter. Veel andere studies richtten zich op het thermische wegloopgedrag van LIBs bij verschillende state-of-charges (SOC's). Joshi et al.13 onderzochten bijvoorbeeld de thermische wegloop van verschillende soorten commerciële LIBs (cilindrisch en pouch) bij verschillende SOC's. Het viel op dat cellen bij hogere SOC's een hogere kans hadden om thermische runaway te ondergaan in vergelijking met die bij lagere SOC's. Bovendien varieerde de minimale SOC voor een thermische runaway met de celformaten en chemie. Roth et al.11 testten cilindrische LIBs in een accelerating rate calorimeter (ARC) en merkten op dat, naarmate de SOC toenam, de aanvangstemperatuur van thermische runaway afnam en de versnellingssnelheid toenam. Golubkov et al.12 ontwikkelden een op maat ontworpen testbank en toonden aan dat de maximale oppervlaktetemperatuur van cilindrische LIBs zo hoog kon zijn als 850 °C. Ribière et al.14 gebruikten een brandvoortplantingsapparaat om de door brand veroorzaakte gevaren van pouch LIBs te onderzoeken en merkten op dat de warmteafgiftesnelheid (HRR) en de productie van giftige gassen aanzienlijk varieerden met de cel SOC. Chen et al.15 bestudeerden het brandgedrag van twee verschillende 18650 LIBs (LiCoO2 en LiFePO4) bij verschillende SOC's, met behulp van een op maat gemaakte in situ calorimeter. HRR, massaverlies en maximale oppervlaktetemperatuur bleken te stijgen met SOC. Er werd ook aangetoond dat het explosiegevaar hoger was voor een volledig geladen lithium kobaltoxide (LiCoO 2) kathode 18650 cel in vergelijking met een lithium ijzerfosfaat (LiFePO2) kathode 18650 cel. Fu et al.16 en Quang et al.17 voerden brandexperimenten uit op LIBs (bij 0%-100% SOC's) met behulp van een kegelcalorimeter. Er werd waargenomen dat LIBs bij een hogere SOC resulteerden in hogere brandgevaren als gevolg van kortere tijd tot ontsteking en explosie, hogere HRR, hogere oppervlaktetemperatuur en hogere CO- en CO2-emissies.

Samenvattend, eerdere studies met behulp van verschillende calorimeters18,19 (ARC, adiabatische calorimetrie, C80-calorimetrie en gemodificeerde bomcalorimetrie) hebben overvloedige gegevens opgeleverd over de elektrochemische en thermische processen geassocieerd met LIB thermische wegloop en branden (bijv. HRR, samenstellingen van de geventileerde gassen) en hun afhankelijkheden van de SOC, batterijchemie en invallende warmteflux2,3, 7,20. De meeste van deze methoden zijn echter oorspronkelijk ontworpen voor conventionele vaste brandbare stoffen (bijv. Celulosemonsters, plastic) en bieden beperkte informatie wanneer ze worden toegepast op LIB-branden. Terwijl sommige eerdere tests de HRR en de totale energie die werd gegenereerd door chemische reacties maten, werden de kinetische aspecten van post-thermische op hol geslagen branden niet volledig aangepakt.

De ernst van de gevaren tijdens thermische wegloop is voornamelijk afhankelijk van de aard en samenstelling van de vrijkomende gassen 2,5. Daarom is het belangrijk om de vrijgekomen gassen, de ontluchtingssnelheid en hun afhankelijkheid van het SOC te karakteriseren. Sommige eerdere studies maten de ontluchtingsgassamenstellingen van LIB thermische runaway in een inerte omgeving (bijvoorbeeld in stikstof of argon)12,21,22; De brandcomponent tijdens de thermische runaway werd uitgesloten. Bovendien werden deze metingen meestal na experimenten uitgevoerd (in plaats van in situ). Evoluties van de samenstelling van ontluchtingsgas tijdens en na thermische wegloop, vooral die met branden en giftige gassen, bleven onderbelicht.

Het is bekend dat thermische runaway de elektrochemie van de batterij verstoort en de celspanning en -temperatuur beïnvloedt. Een uitgebreide test om het thermische wegloopproces van de LIB te karakteriseren, moet daarom gelijktijdige meting van de temperatuur, massa, spanning en geventileerde gassen (snelheid en samenstelling) opleveren. Dit is in de vorige studies in geen enkele opzet bereikt. In deze studie worden een nieuw apparaat en testprotocol ontwikkeld om tijd-opgeloste gegevens te verzamelen over de celinformatie, gassamenstellingen en brandkarakteristieken tijdens en na thermische wegloop van LIB-cellen23. De testapparatuur is weergegeven in figuur 1A. Een grote (~ 600 L) omgevingskamer wordt gebruikt om de thermische runaway-gebeurtenis te beperken. De kamer is uitgerust met een overdrukventiel (met een ingestelde manometerdruk van 0,5 psig) om drukstijging in de kamer te voorkomen. Een Fourier transform infrared (FTIR) gasanalysator is aangesloten op de kamer voor in situ gasbemonstering gedurende de hele test. Het detecteert 21 gassoorten (H 2 O, CO 2, CO, NO, NO2, N 2 O, SO 2, HCl, HCN, HBr, HF, NH 3, C 2 H 4, C 2 H 6, C 3 H8, C 6 H14, CH 4, HCHO, C 6 H 6O,C 3H 4O en COF 2). De FTIR-bemonsteringsfrequentie is 0,25 Hz. Bovendien is een stand-alone waterstofsensor geïnstalleerd in de kamer in de buurt van de FTIR-bemonsteringspoort om de H2-concentratie te registreren. Twee pompen (een 1,3 cfm chemisch resistente membraanpomp en een 0,5 pk vacuümpomp) zijn geïnstalleerd in de uitlaatlijn van de kamer. Na elk experiment wordt een kamerreinigingsprocedure gevolgd om het kamergas rechtstreeks naar de uitlaatleiding van het gebouw te filteren en te pompen.

Bij elk experiment wordt de cel in de kamer in een monsterhouder geplaatst (figuur 1B). Thermische runaway wordt veroorzaakt door een proportioneel-integraal-derivaat (PID)-gestuurde elektrische verwarmingstape bij een constante verwarmingssnelheid van 10 °C / min. Celoppervlaktetemperaturen worden geregistreerd door thermokoppels op drie verschillende locaties langs de lengte van de cel. Het massaverlies van de cel wordt gemeten aan de hand van een massabalans. De kamerdruk wordt bewaakt door een drukomvormer. De celspanning en het ingangsvermogen (spanning en stroom) naar de verwarmingsband worden ook geregistreerd. Alle sensormetingen (thermokoppels, massaverlies, celspanning, verwarmingsbandstroom en spanning) worden verzameld door een aangepast data-acquisitieprogramma met een snelheid van 2 Hz. Ten slotte worden twee camcorders (1920 pixel x 1080 pixelresolutie) gebruikt om het hele proces van de experimenten vanuit twee verschillende hoeken op te nemen.

Het doel van de ontwikkeling van deze nieuwe testmethode is tweeledig: 1) het karakteriseren van het rook- en brandgedrag geassocieerd met LIB thermische wegloop en 2) het leveren van tijd-opgeloste experimentele gegevens die de ontwikkeling van numerieke modellen met hoge validiteit voor batterijbranden mogelijk maken. Het langetermijndoel is om het begrip te vergroten van hoe thermische runaway zich voortplant tussen cellen in een batterijpakket en hoe een batterijbrand opschaalt wanneer van enkele cellen naar meercellige batterijen gaat. Uiteindelijk zal dit helpen bij het verbeteren van richtlijnen en protocollen voor het veilig opslaan en transporteren van LIBs.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Opstarten van de FTIR-gasanalysator

OPMERKING: De procedures kunnen verschillen voor verschillende merken en modellen van de FTIR-gasanalysator. De volgende procedure is voor de specifieke gasanalysator die in dit werk wordt gebruikt.

  1. Installeer een nieuw filter of een schoon filter (d.w.z. een filter dat is gereinigd in een ultrasoon bad) in de filter/ klepeenheid (zie figuur 1 en figuur 2).
  2. Open de klep van de stikstofcilinder die is aangesloten op de gasanalysator (zie figuur 2). Stel het stikstofdebiet in op 150-250 cc/min.
    OPMERKING: Dit is ter voorbereiding op de N2-reiniging tijdens de pre/post-test reiniging van de gasanalysator.
  3. Volg de FTIR-opstartprocedure die wordt beschreven in de handleiding van de fabrikant, "FTIR en PAS Pro voor de standaard werkprocedure van de FTT-rookdichtheidskamer"24, versie 3.1.
    OPMERKING: Terwijl de FTIR draait, wordt de gasleiding tussen de FTIR en de kamer (zie figuur 2) op 180 °C gehouden om gascondensatie te voorkomen. Zorg ervoor dat u de verwarmde leiding en de filter-/klepunit niet aanraakt.

2. Celvoorbereiding

  1. Noteer de datum, tijd, SOC, testdeelnemers, testnummer, celfabrikant, celnotatie en celmodelnummer op een experimentlogboekblad.
  2. Meet en noteer de beginspanning en -massa van de cel (met een precisie van 0,01 g) op het logboekblad van het experiment.
  3. Bevestig verwarmingstape (1 in x 2 in, 20 W / in2) in het midden van de cel en maak een foto van de cel met de verwarmingstape. Zorg ervoor dat de draden van de verwarmingstape naar de negatieve kant van de cel wijzen (zie figuur 3).
  4. Bevestig drie thermokoppels (K-type met een sondediameter van 0,02 inch, lengte van 12 inch) aan het celoppervlak met behulp van hogetemperatuurbestendige tape, één in de buurt van de positieve aansluiting, één in het midden en één onderaan bij de negatieve terminal van de cel, allemaal op 5 mm afstand van de rand van de verwarmingstape (zie figuur 3A). Gebruik het thermokoppel in de buurt van de positieve aansluiting om de verwarmingssnelheid via de PID te regelen. Maak na het installeren van de thermokoppels een foto van de cel met een liniaal om de afstand tot de verwarmingstape te bevestigen.
  5. Puntlassen nikkellipjes (0,1 mm dik, 5 mm breed en 100 mm lang) aan de positieve en negatieve aansluitingen van de cel voor de celspanningsmeting. Zorg ervoor dat de nikkelen lipjes in verschillende richtingen zijn georiënteerd om te voorkomen dat ze elkaar raken, wat resulteert in een externe kortsluiting (figuur 3B).
  6. Plaats de cel op de celhouder, zoals weergegeven in figuur 3C.
  7. Controleer of alle draden van de spanningsmeting en de thermokoppels naar de negatieve pool van de cel worden geleid om de ontluchtingspoorten op de positieve aansluiting van de cel te vermijden.

3. Opstelling testkamer

  1. Schakel het LED-lampje (Light Emitting Diode) in de kamer in.
  2. Plaats de cel en de celhouder op de massabalans in de kamer (zie figuur 4). Sluit de thermokoppelconnectoren, verwarmingstape en nikkelen lipjes aan op kamerdoorvoerpluggen en -draden.
  3. Schakel de massabalans in. Tarra de balans.
  4. Schakel de voeding voor de waterstofsensor in.
  5. Schakel de PID-controller voor de verwarmingstape in. Stel het verwarmingsprofiel in (temperatuur: 200 °C; oprijtijd: 17 min). Sluit de kabels voor de PID-controller, data-acquisitie en de massabalans aan op een laptop en start het data-acquisitieprogramma op de laptop.
  6. Zorg ervoor dat alle sensormetingen die in het gegevensverzamelingsprogramma worden weergegeven, redelijk zijn: celspanning dicht bij de waarde gemeten in stap 2.2, spanning en stroominvoer naar de verwarmingsband dicht bij nul (omdat de stroom nog niet is ingeschakeld), thermokoppelmetingen dicht bij kamertemperatuur (~ 25 ° C), kamerdruk ~ 1 atm en massaaflezing ~ 0 g. Nadat u de metingen hebt gecontroleerd, schakelt u het programma voor gegevensverzameling uit.
  7. Pas de camera-instellingen voor en zijaanzicht aan: handmatige witbalans (in eerste instantie gekalibreerd met behulp van een wit papier), handmatige scherpstelling (bevestigd op het celoppervlak in de buurt van de positieve aansluiting), automatische belichting, automatische IRIS en automatische sluitertijd. Zorg ervoor dat de batterij van de camcorder vol is.
  8. Plaats de frontzichtcamcorder op een statief buiten de kamer (zie figuur 4). Begin met opnemen op de zijaanzichtcamcorder en plaats deze in een beschermingsdoos in de kamer. Controleer de hoek en weergave van de camcorder in zijaanzicht. Vergrendel de beveiligingsdoos.
  9. Controleer nogmaals of er gevaarlijke of onnodige items in de kamer zijn en of de bovenstaande stappen zijn overgeslagen.
  10. Sluit de kamer en zorg ervoor dat alle schroeven op de afdekplaten stevig zijn bevestigd (bijvoorbeeld met een slagmoersleutel).
  11. Gebruik de vacuüm- of membraanpomp om een lekcontrole uit te voeren. Controleer nogmaals of alle kleppen, afdekplaten en observatievensters goed zijn bevestigd.
    LET OP: Als de druk langzaam afneemt of niet daalt, zijn er ergens lekkages.
  12. Verander de FTIR-inlaat van omgevingslucht naar de kamer.
  13. Sluit de FTIR-retourleiding aan op de kamer (zie figuur 2).

4. Thermische runaway en vuurexperiment

  1. Stel de PID-controller in op de ramp-soak-modus.
  2. Doe het licht in de kamer uit en het LED-licht in de kamer.
  3. Start de opname van de camcorder aan de voorzijde. Gebruik de camera om de acties in stap 4.4 en 4.5 vast te leggen voor tijdsynchronisatie van alle verzamelde gegevens (sensorgegevens, FTIR-metingen en video's) na de experimenten.
  4. Start de gegevensregistratie in het gegevensverzamelingsprogramma op de laptop.
  5. Start de PID ramp-soak-modus bij 10 s op de timer van het data-acquisitieprogramma. Schakel het LED-lampje van de kamer in. Start de FTIR-opname.
  6. Plaats de camcorder aan de voorzijde op het statief en ga verder met het opnemen van het experiment.
  7. Ga naar een andere kamer en blijf het gegevensverzamelingspaneel op de laptop bewaken via een op afstand bestuurbaar desktopprogramma. Houd er rekening mee dat deze stap wordt genomen voor extra voorzorgsmaatregelen en niet vereist is. Omdat de experimenten volledig in de omgevingskamer zijn opgesloten, is het risico voor het omringende personeel minimaal.
  8. Indien aanwezig in dezelfde ruimte als de kamer, draag dan geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) gedurende de gehele testperiode (bijv. handschoenen, P100-gasmasker, veiligheidsbril en brandwerende laboratoriumjas).

5. Beëindiging van het experiment

  1. Wanneer thermische runaway optreedt (d.w.z. thermokoppelmetingen tonen plotselinge pieken) of nadat de PID-controller de celtemperatuur gedurende 60 minuten op 200 °C heeft gehouden (afhankelijk van wat zich het eerst voordoet), schakelt u de stroom naar de verwarmingstape uit en stelt u de PID-controller in de stand-bymodus.
  2. Wacht tot alle metingen van het thermokoppel op kamertemperatuur (<50 °C) zijn gekomen. Merk op dat het koelproces voor een enkele cel ongeveer 30 minuten kan duren.
  3. Stop het data-acquisitieprogramma op de laptop, FTIR-meting en video-opname.

6. De FTIR-gasanalysator uitschakelen

  1. Volg de FTIR-uitschakelprocedure die is beschreven in de handleiding van de fabrikant, "FTIR and PAS Pro for the FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure", versie 3.1.
  2. Spoel de FTIR-gasanalysator met stikstof om de buis en analysator gedurende ~ 15 minuten te reinigen. Zorg ervoor dat het debiet van N2 naar de FTIR-gasanalysator 150-250 cc/min is.
  3. Terwijl u de gasanalysator leegspoelt, brengt u de FTIR-resultaten over naar een USB-geheugenstick.
  4. Schakel na het spoelen de gasanalysator uit.
  5. Draag geschikte PBM's, inclusief een paar warmte-isolerende handschoenen, en verwijder het filter in de verwarmde filter/klepunit. Wees uiterst voorzichtig, want de filter/klepunit kan erg heet zijn.
  6. Reinig het verwijderde filter met een ultrasoon bad van een reinigingsoplossing.

7. Kameropruiming en gegevensverzameling

  1. Controleer vóór de procedure voor het opzuigen van de kamer of de FTIR-bemonsteringsleiding (inlaat) (die op de kamer is aangesloten) gesloten of open is voor de omgevingslucht. Voor het gasanalysatormodel dat in deze studie wordt gepresenteerd, selecteert u Ambient Air op de PAS Pro-software of schakelt u de FTIR volledig uit. Als u dit niet doet, veroorzaakt dit schade aan de FTIR.
  2. Zorg ervoor dat er een koolstoffilter is geïnstalleerd tussen de chemisch bestendige membraanpomp (pomp 1 in figuur 2) en de kamer. Markeer het aantal toepassingen van het filter en vervang het door een nieuw filter elke ~ 10-15 tests.
  3. Open klep 1 om zich voor te bereiden op het gedeeltelijk opzuigen van de kamer met behulp van de chemisch bestendige membraanpomp.
  4. Laat de membraanpomp draaien totdat de kamerdruk daalt tot P1 = 9,7 psia (d.w.z. -5 manometerdruk).
  5. Schakel de membraanpomp uit en sluit klep 1.
  6. Open klep 3 (zie figuur 4) om de kamer met omgevingslucht te vullen.
  7. Sluit klep 3 wanneer de kamerdruk zich herstelt tot de omgevingsdruk, P∞.
  8. Herhaal de gedeeltelijke stofzuigprocedure (stappen 7.3-7.7) vijf keer. Hierdoor moet het uitlaatgaspercentage in de kamer dalen tot (P 1/P∞)5 = 12,5%.
  9. Open klep 2 om zich voor te bereiden op het volledig opzuigen van de kamer met behulp van de vacuümpomp (pomp 2 in figuur 2).
  10. Laat de vacuümpomp draaien totdat de kamerdruk daalt tot P2 = 4,7 psia (of -10 psia manometerdruk).
  11. Zet de pomp uit en sluit klep 2.
  12. Open klep 3 om de kamer met omgevingslucht te vullen totdat de kamerdruk zich herstelt tot de omgevingsdruk, P∞.
  13. Herhaal de volledige stofzuigprocedure (stappen 7.9-7.12) twee keer.
    OPMERKING: Na de gedeeltelijke en volledige stofzuigprocedures moet het uitlaatgaspercentage in de kamer lager zijn dan 1,3%.
  14. Open de kamer en haal de camcorder en de cel op.
  15. Schakel de massabalans uit.
  16. Gebruik een natte papieren handdoek om de binnenkant van de kamer schoon te maken (verwijder bijvoorbeeld alle vuil en veeg de binnenwanden van de kamer af).
  17. Maak foto's voor, tijdens en na het verwijderen van de cel van de celhouder.
  18. Weeg de cel en noteer de massa van de cel na de test.
  19. Haal alle opgenomen gegevens (thermokoppelmetingen, celspanning, verwarmingsbandspanning, stroom, kamerdruk en celmassameting) op van de laptop en de video-opnamen van de twee camcorders.
  20. Combineer de verzamelde video's met behulp van videobewerkingssoftware. Noteer de aanvangstijd van de belangrijkste gebeurtenissen, zoals celontluchting, thermische wegloop en brand. Sla de gecombineerde video op in een gewenst formaat (bijvoorbeeld mp4 of avi).
  21. Verwerk de verzamelde gegevens en genereer plots om de tijdsevolutie van alle metingen te visualiseren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Video's die typische thermische wegloopprocessen met en zonder branden weergeven, zijn opgenomen in respectievelijk Aanvullend Dossier 1 en Aanvullend Dossier 2. Belangrijke gebeurtenissen zijn weergegeven in figuur 5. Naarmate de celtemperatuur wordt verhoogd (tot ~ 110-130 ° C), begint de cel te zwellen, wat wijst op de opbouw van de interne druk (veroorzaakt door de verdamping van elektrolyten en de thermische uitzetting van gassen in de cel

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De meest kritische stappen in het protocol zijn die met betrekking tot de giftige gassen die vrijkomen bij de LIB thermische runaway. De lektest in stap 3.11 moet zorgvuldig worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de giftige gassen tijdens de experimenten in de kamer worden opgesloten. De procedures voor het reinigen van kamergassen (stappen 7.1-7.14) moeten ook naar behoren worden uitgevoerd om het gevaar van de giftige gassen te beperken. Giftige gassen kunnen slechts een klein deel van het ontluchtingsgas vormen tij...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben geen belangenconflicten bekend te maken.

Dankbetuigingen

Deze studie wordt ondersteund door de UL Research Institutes. Alle batterijcellen in dit werk werden geconditioneerd en voorbereid in het laboratorium van prof. Chris Yuan aan de Case Western Reserve University (CWRU). De testkamer is in bruikleen aan CWRU van NASA Glenn Research Center. We kregen enorme ondersteuning op de FTIR-gasanalysator van een voormalige promovendus, Dr. Yumi Matsuyama bij CWRU, en technische ondersteuning op de H2-sensor van Jeff Tucker, Brandon Wicks en Brian Engle van Amphenol Advanced Sensors. We waarderen oprecht de steun van Pushkal Kannan en Boyu Wang bij CWRU. We willen ook graag de technische discussies met Alexandra Schraiber van UL Solutions erkennen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
BalansA&DEJ-6100
KoolstoffilterWhatmanWHA67041500
StroomsensorNK TechnologiesAT1-010-000-FT
FrontcameraSonyFDR-AX53
FTIR gasanalysatorFire Testing TechnologyProtea atmosFIR AFS-A-15
Verwarmingstape (1,00" x 2,00")Birk Manufacturing, Inc.BK3512-19.6-L24-03
Hoge temperatuur bestendige tapeKapton
WaterstofsensorAmphenolAX220135
K-type, thermokoppelOmegaKMQSS-020U-12
LabVIEWNational Instruments
MatlabMathWorks
NI-9213National InstrumentsNI-9213
NI-9219National InstrumentsNI-9219
NI-cDAQ-9174National InstrumentsNI-cDAQ-9174
NI-USB-6009National InstrumentsNI-USB-6009
PID controllerOmegaCN8200
PILOT5000 Chemisch bestendige membraan vacuümpompThe Lab DepotTLD5000
OverdrukventielStravalRVL20-10T-N4675
DrukomzetterKeller0308.01601.081303.02
Pure Nikkelstrip (0,1x5x100mm 99,6% Nikkel)U.S. Solid Product
AdemhalingstoestelMcMaster55865T52
Ademhalingstoestel patroonHoneywell 75Scp100L
Rotor vane vacuümpomp (0,5 pk)AlcatelPascal 2010
ZijcameraSonyHDR-CX110
PunktschweißerSUNKKO737G+
TeamViewerTeamViewer
SpanningssensorCR Magnetics Inc.CR4510-50

Referenties

  1. 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).
  2. Wang, Q., Mao, B., Stoliarov, S. I., Sun, J. A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies. Progress in Energy and Combustion Science. 73, 95-131 (2019).
  3. Srinivasan, R., et al. Thermal safety management in Li-ion batteries: current issues and perspectives. Journal of The Electrochemical Society. 167 (14), 140516(2020).
  4. Jeevarajan, J. A., Joshi, T., Parhizi, M., Rauhala, T., Juarez-Robles, D. Battery hazards for large energy storage systems. ACS Energy Letters. 7 (8), 2725-2733 (2022).
  5. Ogunfuye, S., Sezer, H., Said, A. O., Simeoni, A., Akkerman, V. Y. An analysis of gas-induced explosions in vented enclosures in lithium-ion batteries. Journal of Energy Storage. 51, 104438(2022).
  6. Diaz, L. B., et al. Meta-review of fire safety of lithium-ion batteries: Industry challenges and research contributions. Journal of The Electrochemical Society. 167 (9), 090559(2020).
  7. Jeevarajan, J., Robles, D. J., Joshi, T., Kathirvel, K. Fire and smoke characterization of lithium-ion cells and modules during thermal runaway. Electrochemical Society Meeting Abstracts. The Electrochemical Society, Inc. 5, 280(2021).
  8. Lopez, C. F., Jeevarajan, J. A., Mukherjee, P. P. Experimental analysis of thermal runaway and propagation in lithium-ion battery modules. Journal of The Electrochemical Society. 162 (9), 1905(2015).
  9. Ghiji, M., Edmonds, S., Moinuddin, K. A review of experimental and numerical studies of lithium ion battery fires. Applied Sciences. 11 (3), 1247(2021).
  10. Jhu, C. Y., Wang, Y. W., Shu, C. M., Chang, J. C., Wu, H. C. Thermal explosion hazards on 18650 lithium ion batteries with a VSP2 adiabatic calorimeter. Journal of Hazardous Materials. 192 (1), 99-107 (2011).
  11. Roth, E. P., Doughty, D. H. Thermal abuse performance of high-power 18650 Li-ion cells. Journal of Power Sources. 128 (2), 308-318 (2004).
  12. Golubkov, A. W., et al. Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes. RSC Advances. 4 (7), 3633-3642 (2013).
  13. Joshi, T., Azam, S., Lopez, C., Kinyon, S., Jeevarajan, J. Safety of lithium-ion cells and batteries at different states-of-charge. Journal of The Electrochemical Society. 167 (14), 140547(2020).
  14. Ribière, P., et al. Investigation on the fire-induced hazards of Li-ion battery cells by fire calorimetry. Energy & Environmental Science. 5 (1), 5271-5280 (2012).
  15. Chen, M., et al. Investigation on the thermal hazards of 18650 lithium ion batteries by fire calorimeter. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 122 (2), 755-763 (2015).
  16. Fu, Y., et al. An experimental study on burning behaviors of 18650 lithium ion batteries using a cone calorimeter. Journal of Power Sources. 273, 216-222 (2015).
  17. Ouyang, D., He, Y., Chen, M., Liu, J., Wang, J. Experimental study on the thermal behaviors of lithium-ion batteries under discharge and overcharge conditions. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 132 (1), 65-75 (2018).
  18. Said, A. O., Lee, C., Liu, X., Wu, Z., Stoliarov, S. I. Simultaneous measurement of multiple thermal hazards associated with a failure of prismatic lithium ion battery. Proceedings of the Combustion Institute. 37 (3), 4173-4180 (2019).
  19. Quintiere, J. G. On methods to measure the energetics of a lithium ion battery in thermal runaway. Fire Safety Journal. 111, 102911(2020).
  20. Chen, Y., et al. A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standards. Journal of Energy Chemistry. 59, 83-99 (2021).
  21. Kennedy, R. W., Marr, K. C., Ezekoye, O. A. Gas release rates and properties from Lithium Cobalt Oxide lithium ion battery arrays. Journal of Power Sourcres. 487, 229388(2021).
  22. Essl, C., et al. Comprehensive hazard analysis of failing automotive Lithium-ion batteries in overtemperature experiments. Batteries. 6 (2), 30(2020).
  23. Kwon, B., et al. Fire characterization and gas analysis of lithium-ion batteries during thermal runaway. , Available from: https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/89734 (2022).
  24. FTIR Toxity Test. Fire Testing Technology. , Available from: https://www.fire-testing.com/ftir-toxicity-test/ (2022).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

FTIR gasanalyserlaadstatusmassaverliescelontgassingverwarmingsband
Ter plaatse Gasanalyse en brandkarakterisering van lithium-ioncellen tijdens thermische wegloop met behulp van een omgevingskamer
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.