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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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 laboratorió....

Protocol

1. Kalibracja kalorymetru

UWAGA: Ważne jest, aby skalibrować kalorymetr, aby dostosować się do wszelkich zmian warunków wymiany ciepła do/z tego samego ogniwa (np. podłączenie elektrycznych o dużej średnicy do ogniwa) lub wymiana głównej termopary pomiarowej. Przyrząd należy ponownie skalibrować po okresie 2-3 miesięcy, ponieważ reakcje termopary mogą się zmieniać przy długotrwałym użytkowaniu.

1. Użyj małego kulistego naczynia lub "bomby" do kalibracji kalorymetru.
2. Przymocuj pustą bombę sferyczną ze znanego materiału (np. tytanu, stali nierdzewnej, aluminium itp.) do spodu pokrywy kalorymetru.
3. Upewnij się, że k....

Results

Reprezentatywne dane z eksperymentu HWS w pełni naładowanego komercyjnego ogniwa akumulatora litowo-jonowego 18650 znajdują się w Rysunek 4A,B. Rysunek przedstawia temperaturę ogniwa w funkcji czasu podczas "zamkniętego" zestawu testowego ARC. Podstawowe cechy termiczne_{(początek T}, T_max i ΔT) są wyróżnione na rysunku. Lokalizacja_początku T jest początkiem etapu egzotermicznego, który trwa do momentu osiągnięcia T_max. Podczas tego eksperyme.......

Discussion

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.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
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