Przyspieszenie kalorymetrii szybkościowej i techniki uzupełniające w celu scharakteryzowania zagrożeń związanych z bezpieczeństwem akumulatorów

Podsumowanie

Metoda charakteryzowania potencjalnego ryzyka awarii baterii litowych jest osiągana za pomocą kalorymetrii przyspieszającej. Uwalnianie ciepła i ciśnienia, wizualna obserwacja zdarzenia awarii oraz wychwytywanie wydzielających się gazów są zbierane w tym eksperymencie w celu zidentyfikowania najgorszych wiarygodnych zagrożeń związanych z akumulatorami doprowadzonymi do awarii.

Streszczenie

Zagrożenia związane z chemią baterii litowych są dobrze udokumentowane ze względu na ich katastrofalny charakter. Ryzyko jest zazwyczaj oceniane jakościowo za pomocą matrycy ryzyka inżynierskiego. W ramach macierzy potencjalnie niebezpieczne zdarzenia są kategoryzowane i klasyfikowane pod względem dotkliwości i prawdopodobieństwa, aby zapewnić świadomość sytuacyjną decydentom i interesariuszom. Stochastyczny charakter awarii akumulatorów, w szczególności chemii litowo-jonowej, sprawia, że oś prawdopodobieństwa macierzy jest trudna do prawidłowej oceny. Na szczęście istnieją narzędzia do charakteryzacji, takie jak przyspieszona kalorymetria szybkościowa (ARC), które charakteryzują stopnie dotkliwości awarii akumulatora. Technologia ARC jest szeroko stosowana do charakteryzowania reaktywnych substancji chemicznych, ale może stanowić nowe zastosowanie do wywoływania awarii baterii w bezpiecznych, kontrolowanych warunkach eksperymentalnych i ilościowego określania krytycznych parametrów bezpieczeństwa. Ze względu na solidny charakter kalorymetru o rozszerzonej objętości, ogniwa mogą być bezpiecznie doprowadzane do awarii z powodu różnych nadużyć: termicznych (proste nagrzewanie ogniwa), elektrochemicznych (przeładowanie), elektrycznych (zwarcie zewnętrzne) lub fizycznych (zgniecenie lub wbicie gwoździa). W tym artykule opisano procedury przygotowania i oprzyrządowania komercyjnego ogniwa akumulatora litowo-jonowego na wypadek awarii w ARC w celu zebrania cennych danych dotyczących bezpieczeństwa: początek ucieczki termicznej, endotermia związana z topnieniem separatora polimerów, uwolnienie ciśnienia podczas ucieczki termicznej, zbieranie gazów do charakterystyki analitycznej, maksymalna temperatura pełnej reakcji oraz wizualna obserwacja procesów rozkładu za pomocą boroskopu wysokotemperaturowego (odpowietrzenie i ogniwo może ulec naruszeniu). Termiczna metoda "heat-wait-seek" służy do wywołania awarii ogniwa, w której akumulator jest stopniowo podgrzewany do zadanej wartości, a następnie przyrząd identyfikuje wytwarzanie ciepła z akumulatora. Gdy ciepło powoduje wzrost temperatury w akumulatorze, temperatura kalorymetru podąża za tym wzrostem temperatury, utrzymując stan adiabatyczny. Dzięki temu ogniwo nie wymienia ciepła ze środowiskiem zewnętrznym, więc całe ciepło wytwarzane z akumulatora w przypadku awarii jest wychwytywane.

Wprowadzenie

Akumulatory, a w szczególności chemia litowo-jonowa, umożliwiły funkcjonowanie w pełni elektrycznego społeczeństwa obejmującego wszystkie aspekty codziennego życia, takie jak transport, komunikacja i rozrywka. W przypadku tych zastosowań magazynowania energii pojemność ładowania jest równa zasięgowi lub czasowi pracy. Maksymalizacja tych parametrów prowadzi do powstania agresywnie wysokoenergetycznych ogniw litowo-jonowych. Niestety, wraz ze wzrostem energii elektrycznej w ogniwach litowo-jonowych, następuje również szkodliwe uwalnianie energii, gdy wystąpi awaria¹. Wiele agencji regulacyjnych, stowarzyszeń zawodowych i niezależnych laboratoriów opracowało standardy, aby lepiej scharakteryzować bezpieczeństwo akumulatorów. Jedną z metod stosowanych do ilościowego określenia intensywności termicznej zdarzenia związanego z bezpieczeństwem baterii jest przyspieszona kalorymetria szybkościowa (ARC)^2,3. Ten rodzaj kalorymetrii jest wykonywany prawie adiabatycznie w celu wychwycenia wyraźnego wytwarzania ciepła z materiału lub ogniwa akumulatora na początku reakcji egzotermicznej, a następnie poprzez procesy reakcji niekontrolowanej termicznej i spalania. Instrument ARC daje możliwość scharakteryzowania najgorszego przypadku wytwarzania ciepła, ciśnienia i gazów w wyniku egzotermicznej reakcji materiałowej w bezpiecznym i kontrolowanym środowisku laboratoryjnym.

Instrument ARC został po raz pierwszy opracowany w latach siedemdziesiątych XX wieku do symulacji egzotermicznych reakcji niekontrolowanych od niebezpiecznych i reaktywnych substancji chemicznych w bezpiecznej skali i oceny zagrożeń związanych z reaktywnymi chemikaliami w celu opracowania procedur bezpieczeństwa dotyczących obsługi, użytkowania, przechowywania i transportu⁴. Na początku lat osiemdziesiątych XX wieku ARC został po raz pierwszy użyty do badania niekontrolowanych reakcji termicznych w ogniwach litowych. ARC działa na zasadzie "adaptacyjnego sterowania adiabatycznego", co oznacza, że temperatura kalorymetru stara się dopasować do temperatury ogniwa podczas zachodzącej reakcji. Nie dochodzi również do wymiany ciepła pomiędzy badaną próbką a otaczającym środowiskiem. W ten sposób, gdy ogniwo nagrzewa się samoczynnie i wzrasta jego temperatura, transfer ciepła między ogniwem a jego otoczeniem jest zminimalizowany. Schemat komory ARC z elementami grzejnymi i miejscami do testowania ogniw litowo-jonowych jest pokazany na Rysunek 1.

Przyrząd ARC jest dostępny w kilku rozmiarach, aby pomieścić szeroki zakres materiałów baterii, komponentów ogniw, ogniw, baterii i modułów baterii, jak pokazano w Tabeli 1. ARC oferuje również szereg protokołów testowania analizy termicznej, w tym najbardziej rozpowszechniony dla charakterystyki bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych, znany jako heat-wait-seek (HWS). Pomiary ARC mogą być wykonywane w konfiguracji testowej "otwartej" lub "zamkniętej". Główną różnicą między tymi dwiema konfiguracjami testowymi jest możliwość wykonywania pomiarów ciśnienia i pobierania próbek gazów w układzie zamkniętym. Otwarta konfiguracja nadaje się do obserwacji wizualnej za pomocą kamery wysokotemperaturowej lub boroskopu^4,5. Użycie małego sferycznego zbiornika ciśnieniowego lub "bomby" zostało wykorzystane w ARC do pomiaru uwalniania ciepła reakcji z materiałów elektrod akumulatora⁶. Zazwyczaj wydzielanie ciepła zależy od stężenia litu w materiałach i nasila się w obecności organicznych rozpuszczalników elektrolitów i soli litu^7,8. Na poziomie komórkowym wymagany jest ARC o zwiększonej objętości, aby bezpiecznie zatrzymać ciepło, ciśnienie i uwalnianie gazu z procesu ucieczki termicznej. Dodatkowo, w przyrządzie ARC można wprowadzić funkcje, które powodują awarie baterii poprzez wbicie gwoździa, przeładowanie elektrochemiczne lub zwarcie zewnętrzne.

Sandia National Laboratory historycznie było liderem w charakterystyce baterii za pomocą ARC dla Departamentów Energii i Transportu Stanów Zjednoczonych. Firma Sandia opublikowała wiele raportów podkreślających jej znaczenie w generowaniu krytycznych danych dotyczących bezpieczeństwa, które wpłynęły na politykę federalną i standardy bezpieczeństwa^9,10. W raporcie podają optymalne parametry testu, zbieranie danych i kryteria raportowania⁹. Większość zalecanych praktyk została przyjęta w tym artykule w celu scharakteryzowania zagrożenia termicznego pojedynczego cylindrycznego ogniwa litowo-jonowego w warunkach niekontrolowanej temperatury przy użyciu protokołu HWS. W szczególności ARC może dostarczyć obiektywnych dowodów ilościowych na czynniki wpływające na bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych i materiałów, z których wykonane są akumulatory (tj. maksymalna temperatura, szybkość nagrzewania w funkcji czasu/temperatury, gaz odpowietrzający w funkcji czasu/temperatury oraz analiza chemiczna substancji niebezpiecznych z uwalnianego gazu i dymu) podczas awarii akumulatora.

Najczęściej używanym protokołem testowania ARC do testowania bezpieczeństwa baterii jest HWS. Protokół HWS oferuje dokładne wykrywanie reakcji egzotermicznych zachodzących w ogniwach litowo-jonowych i jest dokładniejszy niż prosty tryb ogrzewania z narastaniem. Jest to standardowa metoda charakterystyki niekontrolowanej temperatury akumulatora. Komora jest podgrzewana do początkowej temperatury początkowej, a następnie stosuje się czas oczekiwania, który zależy od masy próbki i właściwości wymiany ciepła. Po tym kroku kalorymetr szuka egzotermy większej niż ustawiona czułość (np. 0,02 °C/min). Jeśli w wyznaczonym okresie czasu nie zostanie zaobserwowana egzotermia, komora ponownie nagrzewa się o określony krok temperatury (np. 5 °C) i proces się powtarza. Rysunek 2 pokazuje schemat blokowy procesu dla HWS (Rysunek 2A) oraz dane eksperymentalne ilustrujące różne etapy HWS przez kilka pierwszych iteracji (Rysunek 2B).

Pełne definicje każdego z etapów testowania w protokole HWS są następujące. Tryb ogrzewania to moc oddawana grzałkom komory w celu podniesienia temperatury komory i badanego urządzenia (DUT). Tryb oczekiwania występuje, gdy równowaga termiczna zostanie ustalona między kalorymetrem a bombą lub badanym artykułem. Tryb wyszukiwania występuje, gdy określane są obliczenia zmiany temperatury, a czas odnosi się do zmiany czułości, zwykle 0,02 °C/min. Tryb chłodzenia jest uruchamiany pod koniec testu, gdy osiągnięta została maksymalna temperatura lub ciśnienie. Tradycyjny mechanizm chłodzenia polega na wprowadzaniu do komory gazu obojętnego, takiego jak azot. Alternatywnie do komory można wprowadzić ciekły azot w celu przyspieszenia chłodzenia. Tryb egzotermiczny odnosi się do wzrostu temperatury obserwowanego po kroku poszukiwania, który nazywa się egzotermią. Opisuje to środowisko, w którym samonagrzewanie badanego elementu jest większe niż wybrana czułość, zwykle 0,02 °C/min. Tryb egzotermiczny trwa do momentu, gdy szybkość samonagrzewania spadnie poniżej pożądanej czułości, w którym to momencie uruchamiany jest kolejny tryb grzania, a sekwencja oczekiwania na ciepło jest kontynuowana aż do osiągnięcia maksymalnego limitu temperatury lub ciśnienia.

Protokół

1. Kalibracja kalorymetru

UWAGA: Ważne jest, aby skalibrować kalorymetr w celu uwzględnienia wszelkich zmian w warunkach wymiany ciepła do/z tej samej celi (np. podłączenia przewodów elektrycznych o dużej średnicy do celi) lub po wymianie głównej termopary pomiarowej. Instrument należy ponownie skalibrować po okresie 2–3 miesięcy, ponieważ odpowiedzi termopary mogą ulec zmianie przy długotrwałym użytkowaniu.

1. Do kalibracji kalorymetru należy użyć małego naczynia sferycznego lub tzw. „bomby”.
2. Do dolnej części pokrywy kalorymetru należy przymocować pustą sferyczną bombę wykonaną ze znanego materiału (np. tytanu, stali nierdzewnej, aluminium itp.).
3. Należy upewnić się, że kalorymetr jest czysty i wolny od zanieczyszczeń.
4. Warunki kalibracji muszą być zgodne z przewidywanymi warunkami testowymi. W celu prawidłowej kalibracji wszelkie specjalne uchwyty muszą znajdować się w komorze w przewidywanej lokalizacji.
5. Koniec przewodu termopary bomby należy przyłączyć do powierzchni sferycznego naczynia bomby. Dla prawidłowego przebiegu kalibracji koniec ten musi stykać się z bombą. W razie potrzeby przewód termopary i przewody doprowadzające należy zabezpieczyć taśmą wysokotemperaturową.
6. Należy upewnić się, że pokrywa kalorymetru jest całkowicie zamknięta, a między pokrywą a podstawą występuje dobry kontakt.
7. Należy zamknąć obudowę ochronną, aby wyeliminować prądy powietrzne przepływające nad kalorymetrem, które mogą wpłynąć na pomiar.
8. W teście kalibracyjnym należy zastosować następujące parametry: skok temperatury = 25 °C; temperatura początkowa = 50 °C; temperatura końcowa = 405 °C; czułość tempa zmiany temperatury = 0.01 °C/min; oraz czas oczekiwania = 30 min.
9. Należy upewnić się, że poprzednie przesunięcia kalibracyjne zostały usunięte z oprogramowania.
10. Należy rozpocząć procedurę kalibracji.

2. Test współczynnika Phi

UWAGA: Nawet najwydajniejszy ARC nie jest w stanie osiągnąć pełnej adiabatyczności. W związku z tym podczas testu dochodzi do pewnych strat ciepła, które muszą zostać uwzględnione w celu uzyskania dokładnych danych kalorymetrycznych.

1. Uwzględnij straty ciepła, obliczając współczynnik przesunięcia, ϕ, za pomocą następującego równania:

Zastosuj znaną pojemność cieplną i masę (c oraz m) dla bomby i próbki. Po kalibracji komory przeprowadź test dryftu. Upewnij się, że wynikowy współczynnik phi mieści się w przedziale ±0.02 °C/min.

3. Masa cieplna i pojemność cieplna komercyjnych ogniw bateryjnych do testów niszczących

1. Oblicz pojemność cieplną podczas krótkiego, łagodnego i niedestrukcyjnego ogrzewania ogniwa. Operację tę należy przeprowadzić w zakresie temperatur od 25–55 °C (od temperatury otoczenia do maksymalnej zalecanej temperatury pracy ogniwa). W celu oceny pojemności cieplnej w temperaturach poniżej temperatury otoczenia należy zastosować ciekły azot.
2. Wyznacz masę pojedynczego ogniwa dla trzech identycznych egzemplarzy.
3. Przymocuj matę grzewczą wzdłuż osi pojedynczego ogniwa 18650 za pomocą taśmy odpornej na wysokie temperatury.
   UWAGA: Konfiguracja fizyczna układu testowego może się różnić w zależności od geometrii ogniwa; dla różnych rozmiarów ogniw wymagana jest mata grzewcza o odpowiedniej wielkości.
4. W przypadku kalorymetrów o zwiększonej objętości, połącz trzy ogniwa, w tym ogniwo z matą grzewczą, w kształt trójkąta. Połącz ogniwa ze sobą za pomocą taśmy aluminiowej.
5. Przymocuj termoparę kontrolną w połowie długości ogniwa sąsiadującego z ogniwem z matą grzewczą.
6. Zawieś trójkąt z trzech ogniw u góry kalorymetru za pomocą metalowego drutu.
7. Mocno zamknij pokrywę kalorymetru.
8. Upewnij się, że przewody grzejnika wychodzą z kalorymetru i są podłączone do regulowanego zasilacza.
9. Rozpocznij test pojemności cieplnej, uruchamiając zasilacz w celu stopniowego zwiększenia temperatury z 30–60 °C w czasie około 2 h.

UWAGA: Typowa temperatura kontra dane czasowe (przeliczone na K/s) wykorzystane do obliczenia c_p zostało przedstawione w Rycina 3Moc dostarczana do grzałki jest obliczana poprzez pomnożenie napięcia zasilania przez natężenie prądu, co pozwala wyznaczyć moc w jednostkach W lub J/s. Moc grzałki dzieli się przez nachylenie krzywej temperatury kontra wykres czasowy w celu wyznaczenia masy termicznej w jednostkach J/K. Na koniec masę termiczną dzieli się przez masę próbki, aby uzyskać ciepło właściwe komórki w jednostkach J/g·K. Przykład pomiaru ciepła właściwego przedstawiono poniżej, na podstawie danych w Rysunek 3:

Nachylenie krzywej temperatury vs. czasu z surowych danych: 0.3738 °C/min = 0.00623 K/s
Moc grzałki: (8.53 V x 0.639 A) @ 30% = 1.635 W = 1.635 J/s
Masa termiczna (moc/nachylenie) = 262.472 J/K
Pojemność cieplna (masa termiczna/masa) = 262.472 J/K podzielone przez 244 g = 1.075 J/g·K

4. Testy niszczące komercyjnej ogniwa akumulatora litowo-jonowego 18650

1. Standardowa procedura „heat-wait-seek” (grzanie-oczekiwanie-poszukiwanie) dla ogniwa baterii
   1. Należy upewnić się, że komercyjny element testowy baterii/ogniwa lub „badane urządzenie” (DUT) znajduje się w pożądanym stanie naładowania (SOC) do testów; idealnie, gdy SOC wynosi 100%, aby reprezentować „najgorsze wiarygodne zagrożenie” awarią baterii.
   2. Otwórz pokrywę komory zewnętrznej.
   3. Zdejmij górną pokrywę kalorymetru, aby przygotować miejsce na umieszczenie elementu testowego baterii. Komora powinna zostać oczyszczona z zanieczyszczeń za pomocą standardowego odkurzacza oraz przetarta ścianki kalorymetru szmatką z lekkim rozpuszczalnikiem.
   4. Zamontuj cylindryczne ogniwo w uchwycie do ogniw w kierunku pionowym i umieść je lekko poza centrum wnętrza kalorymetru. Umieszczenie poza centrum zapewnia maksymalny zapis wideo podczas zdarzenia ucieczki termicznej, gdy kamera boroskopowa wysokotemperaturowa nie jest zasłonięta przez wyrzucane pary elektrolitu, dym i pozostałości z górnego zaworu ogniwa.
      UWAGA: Alternatywnie ogniwo można zamocować w kierunku poziomym, używając standardowego statywu z obręczą. Za każdym razem, gdy do kalorymetru wprowadza się dodatkowe elementy, takie jak statywy, należy przeprowadzić ponowną kalibrację.
   5. Przymocuj termoparę oznaczoną jako „termopara bomby” do cylindrycznego ogniwa na środku długości ścianki i zabezpiecz ją wysokotemperaturowym drutem niklowym. Robi się to, aby 1) utrzymać termoparę na miejscu podczas odkształceń mechanicznych obudowy ogniwa oraz 2) uniknąć stopienia alternatywnych taśm wysokotemperaturowych, które czasem nie wytrzymują stopnia wydzielania ciepła z ogniwa.
      UWAGA: Ważne jest zachowanie dobrego kontaktu między termoparą a ścianką ogniwa, aby zapewnić dokładny odczyt temperatury niezbędny do kontrolowania ogrzewania adiabatycznego komory kalorymetru.
   6. Zabezpiecz DUT odpowiednimi zaciskami typu krokator do monitorowania ładowania ogniwa, rozładowania, napięcia obwodu otwartego lub pomiarów impedancji elektrochemicznej. Przeciągnij przewody elektryczne przez rowki na górnej powierzchni komory kalorymetru.
   7. Załóż pokrywę kalorymetru, uważając, aby nie przyciąć żadnej z termopar ani przewodów elektrycznych.
   8. Użyj funkcji manualnego ostrzenia w boroskopie wysokotemperaturowym, aby zmaksymalizować jakość obrazu przed rozpoczęciem testów. Często boroskop jest ustawiany na płytkę denną uchwytu ogniwa, aby uwzględnić wahania ostrości optycznej podczas ogrzewania kalorymetru.
   9. Uruchom protokół testowy termicznego HWS. Parametry testowe i wartości reprezentatywne są następujące:
      - Temperatura początkowa: 35 °C
      - Temperatura końcowa: 305 °C
      - Skok temperatury: 5 °C
      - Czułość szybkości temperatury: 0.02 °C/min
      - Czas oczekiwania: 30 min
      - Skok temperatury obliczeniowej: 0.2 °C
      - Temperatura chłodzenia: 35 °C
      - Temperatura zwolnienia: 50 °C
      - Ciśnienie bezpieczeństwa: 200 Bar
      - Maksymalny spadek temperatury: 25 °C
      - Maksymalny spadek ciśnienia: 20 Bar
      - Maksymalna szybkość egzotermiczna: 1000.00 °C/min
      - Maksymalna szybkość ciśnienia: 160342 Bar/min
      - Skok temperatury rejestracji danych: 1.00 °C
      - Skok czasu rejestracji danych: 0.5 min
      - Skok temperatury rejestracji egzotermicznej: 1.00 °C
   10. Jeśli wymagane jest zbieranie gazów, ustaw temperaturę zbierania (np. 120 °C) i okres zbierania (np. 0.5 min).
   11. Rozpocznij test HWS i pozwól ogniwu wejść w stan ucieczki termicznej.
       UWAGA: Po osiągnięciu maksymalnej temperatury kalorymetru automatycznie uruchamia się wentylator wyciągowy w celu usunięcia dymu z kalorymetru.
   12. Poczekaj, aż komora całkowicie ostygnie do temperatury zbliżonej do temperatury otoczenia przed otwarciem ARC i zdjęciem pokrywy kalorymetru. Czas chłodzenia komory można przyspieszyć, wtryskując ciekły lub gazowy azot do dna komory. Bez wspomagania azotem chłodzenie może trwać do 24 h.
   13. Proces ARC HWS prowadzi do rozkładu/spalania ogniwa baterii, pozostawiając spalone materiały elektrodowe i zanieczyszczenia wewnątrz komory. Oczyść kalorymetr za pomocą odkurzacza warsztatowego i przetrzyj ścianki kalorymetru łagodnym rozpuszczalnikiem.

5. Zapewnienie pomyślnego przeprowadzenia testu ARC ogniwa litowo-jonowego

1. Należy upewnić się, że ogniwo znajduje się w odpowiednim stanie naładowania (SOC). W pełni naładowane ogniwa zazwyczaj wykazują największe wydzielenie ciepła i najniższą temperaturę początku rozkładu, co wskazuje na najbardziej prawdopodobne zagrożenie dla bezpieczeństwa.
2. Należy upewnić się, że termopara bomby jest przymocowana do ogniwa za pomocą metalowego drutu. Brak przylegania końcówki termopary do ścianki bocznej baterii uniemożliwi zarejestrowanie efektów samonagrzewania.
3. Należy ponownie sprawdzić oznaczenia termopar: termopara bomby musi być przymocowana do ogniwa, termopara próbki powinna swobodnie zawisnąć w komorze kalorymetru, a w przypadku stosowania wielu pomocniczych termopar ich lokalizacje muszą być znane i zweryfikowane.
4. W przypadku monitorowania napięcia w obwodzie otwartym lub przeprowadzania pomiarów elektrochemicznych w ARC, należy upewnić się, że ogniwo wskazuje oczekiwaną wartość napięcia. Nieoczekiwane lub ujemne napięcie sugeruje, że przewody elektryczne wewnątrz kanistra ARC mogły stracić połączenie lub zostały zamienione. Należy uważać, aby nie spowodować zwarcia ogniwa podczas przygotowania układu, ponieważ cała komora jest metalowa.

6. Interpretacja danych ARC i obliczanie ciepła reakcji

1. Oblicz całkowite ciepło reakcji w jednostkach ciepła na masę (J/g lub J/kg).
2. Wykorzystaj dane temperatury vs. czasu, aby uzyskać podstawowe właściwości termiczne reakcji, takie jak temperatura początku egzotermii, T_onset, oraz maksymalna temperatura reakcji, T_max, korzystając z równania:

3. Wykorzystaj wartość ciepła właściwego zmierzoną w poprzedniej procedurze oraz obliczoną wartość ΔT, aby obliczyć całkowite ciepło reakcji. Zastosuj współczynnik korekcyjny ϕ, aby uwzględnić brak idealnej adiabatyczności.

4. Oblicz wzrost ciśnienia podczas reakcji, korzystając z następującego równania:

5. Wykreśl logarytmiczne tempo zmiany temperatury kontra temperaturę, aby wykazać przebieg reakcji w określonym zakresie temperatur (Rysunek 4B). Przelicz tempo zmiany temperatury (°C(/min) na jednostki J/s, wykorzystując pojemność cieplną.

Wyniki

Reprezentatywne dane z eksperymentu HWS w pełni naładowanego komercyjnego ogniwa litowo-jonowego 18650 przedstawiono na Ryc. 4A,B. Rysunek pokazuje temperaturę ogniwa w funkcji czasu podczas testu ARC w układzie „zamkniętym”. Podstawowe parametry termiczne (T_onset, T_max oraz ΔT) są zaznaczone na rysunku. Wartość T_onset wyznacza początek etapu egzotermicznego, który trwa do momentu osiągnięcia T_max. Podczas tego eksperymentu można r...

Dyskusja

Procedura testowania HWS przeprowadzona za pomocą przyrządu ARC ma kluczowe znaczenie dla określenia najgorszego wiarygodnego zagrożenia bezpieczeństwa, jakie stwarza akumulator litowo-jonowy. Pomiary temperatury początkowej samonagrzewania i temperatury maksymalnej podczas niekontrolowanego wzrostu temperatury dostarczają obiektywnych danych niezbędnych do dokładnej oceny bezpieczeństwa ogniw litowo-jonowych. Dzięki zastosowaniu eksperymentów opartych na ARC wskaźniki bezpieczeństwa baterii mogą być mierzone w kontrolow...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
boroskop	Optoelektronika		Sztywny, wysokotemperaturowy boroskop
Energy Lab Potencjostat	Princeton Applied Research / Potencjostat Ametek		zdolny do zbierania napięcia w obwodzie otwartym, galwanostyczno-potencjostatycznych cykli baterii i elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej
Kalorymetr o zwiększonym tempie przyspieszania objętości	Technologie		zagrożeń termicznychSystem średniej wielkości, zakres próbek: komponenty do akumulatorów. Objętość robocza: 0,57 m3
taśma wysokotemperaturowa	niespecyficzne
ogniwo akumulatora litowo-jonowego	różne		akumulatory z mieszanego tlenku metalu w porównaniu z grafitowym ogniwem litowo-jonowym w formie 18650
Grzejnik matowy	Współczynnik		i rozmiar w zależności od ogniwa baterii do pomiarów pojemności cieplnej
bomba sferyczna	Technologie		zagrożeń termicznychbomba o małej objętości do kalibracji ARC

kształtu Omega