Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

In Situ Analiza gazów i charakterystyka pożaru ogniw litowo-jonowych podczas ucieczki termicznej z wykorzystaniem komory środowiskowej

4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/65051

⸱

31 marca 2023

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

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj opisujemy procedurę testową opracowaną w celu scharakteryzowania niekontrolowanej temperatury i pożarów w ogniwach litowo-jonowych poprzez pomiary in situ różnych parametrów w komorze środowiskowej.

Streszczenie

Eksperymentalna aparatura i standardowa procedura operacyjna (SOP) są opracowywane do zbierania danych o składzie gazu i charakterystyce pożaru podczas i po ucieczce termicznej ogniw baterii litowo-jonowych (LIB). Ogniwo cylindryczne 18650 jest kondycjonowane do pożądanego stanu naładowania (SOC; 30%, 50%, 75% i 100%) przed każdym eksperymentem. Kondycjonowane ogniwo jest zmuszane do ucieczki termicznej przez elektryczną taśmę grzewczą ze stałą szybkością ogrzewania (10 °C/min) w komorze środowiskowej (objętość: ~600 L). Komora jest podłączona do analizatora gazu w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) w celu pomiaru stężenia w czasie rzeczywistym. Dwie kamery służą do rejestrowania ważnych zdarzeń, takich jak wentylacja komórek, niekontrolowana temperatura i następujący po niej proces spalania. Rejestrowane są również warunki ogniwa, takie jak temperatura powierzchni, utrata masy i napięcie. Na podstawie uzyskanych danych można wywnioskować pseudowłaściwości komórek, skład gazów odpowietrzających i szybkość masy wentylacyjnej jako funkcje temperatury komórki i SOC komórki. Chociaż procedura testowa została opracowana dla pojedynczego ogniwa cylindrycznego, można ją łatwo rozszerzyć w celu testowania różnych formatów komórek i badania rozprzestrzeniania się ognia między wieloma ogniwami. Zebrane dane eksperymentalne mogą być również wykorzystane do opracowania modeli numerycznych dla pożarów LIB.

Wprowadzenie

W ciągu ostatnich kilku dekad, baterie litowo-jonowe (LIBs) zyskały na popularności i skorzystały z ogromnego postępu technologicznego. Dzięki różnym zaletom (np. wysokiej gęstości energii, niskim kosztom utrzymania, krótkiemu czasowi samorozładowania i ładowania oraz długiej żywotności), LIB jest uważany za obiecującą technologię magazynowania energii i szeroko stosowany w różnych zastosowaniach, takich jak duże systemy magazynowania energii (ESS), pojazdy elektryczne (EV) i przenośne urządzenia elektroniczne. Podczas gdy oczekuje się, że globalny popyt na ogniwa LIB podwoi się z 725 GWh w 2020 r. do 1 500 GWh w 2030 r1, w ostatnich latach nastąpił znaczny wzrost liczby pożarów i eksplozji związanych z LIBs2. Wypadki te pokazują wysokie ryzyko związane z LIBs, co budzi obawy dotyczące ich wykorzystania na dużą skalę. Aby złagodzić te obawy, kluczowe jest dokładne zrozumienie procesu niekontrolowanej temperatury LIB prowadzącej do pożarów.

Poprzednie wypadki wykazały, że ogniwa LIB ulegają awarii, gdy elektrochemia ogniwa zostaje zakłócona przez przegrzanie w nietypowych warunkach pracy (takich jak zewnętrzne zwarcie, szybkie rozładowanie, przeładowanie i uszkodzenia fizyczne) lub z powodu wad produkcyjnych i złego projektu2,3,4. Zdarzenia te prowadzą do rozkładu granicy faz ciało stałe-elektrolit (SEI), stymulując wysoce egzotermiczne reakcje chemiczne między materiałami elektrodowymi a elektrolitami. Kiedy ciepło wytwarzane w tych reakcjach przekracza to, które jest rozpraszane, powoduje to szybkie samonagrzewanie się komórek, znane również jako ucieczka termiczna. Temperatura i ciśnienie wewnętrzne mogą nadal rosnąć, dopóki narastające ciśnienie nie spowoduje pęknięcia akumulatora i uwolnienia łatwopalnych, toksycznych gazów z dużą prędkością. W konfiguracji z akumulatorami wieloogniwowymi niekontrolowana ciecz termiczna w pojedynczym ogniwie, jeśli nie jest kontrolowana, może prowadzić do niekontrolowanego rozprzestrzeniania się ciepła na inne ogniwa oraz incydentów pożaru i wybuchu na katastrofalnym poziomie, szczególnie w zamkniętych pomieszczeniach o ograniczonej wentylacji. Stwarza to poważne zagrożenia dla bezpieczeństwa ludzi i konstrukcji.

W ciągu ostatnich kilku dekad przeprowadzono szereg badań mających na celu zbadanie niekontrolowanych reakcji termicznych LIB prowadzących do spalania elektrolitów organicznych wewnątrz akumulatora i uwalniania łatwopalnych gazów w różnych warunkach ogrzewania2,5,6,7,8,9,10,11,12. Na przykład Jhu et al.10 zademonstrowali niebezpieczny charakter naładowanych cylindrycznych LIB w porównaniu z nienaładowanymi za pomocą kalorymetru adiabatycznego. Wiele innych badań koncentrowało się na niekontrolowanym zachowaniu termicznym LIB przy różnych stanach naładowania (SOC). Na przykład Joshi i in.13 badali niekontrolowaność termiczną różnych typów komercyjnych LIB (cylindrycznych i torebkowych) w różnych SOC. Zauważono, że komórki przy wyższych SOC miały większą szansę na ulegnięcie niekontrolowanej temperaturze w porównaniu z tymi przy niższych SOC. Ponadto minimalny SOC dla wystąpienia ucieczki termicznej różnił się w zależności od formatu i składu chemicznego ogniwa. Roth et al.11 przetestowali cylindryczne LIB w kalorymetrze przyspieszającym (ARC) i zaobserwowali, że wraz ze wzrostem SOC temperatura początkowa niekontrolowanego wzrostu termicznego spada, a szybkość przyspieszania wzrasta. Golubkov et al.12 opracowali specjalnie zaprojektowane stanowisko testowe i wykazali, że maksymalna temperatura powierzchni cylindrycznych LIB może wynosić nawet 850 °C. Ribière et al.14 użyli aparatu do propagacji ognia do zbadania zagrożeń wywołanych pożarem przez LIB w torebkach i zauważyli, że szybkość wydzielania ciepła (HRR) i produkcja toksycznych gazów różnią się znacznie w zależności od SOC komórki. Chen et al.15 badano zachowania przeciwpożarowe dwóch różnych 18650 LIB (LiCoO2 i LiFePO4) w różnych SOC, używając specjalnie wykonanego kalorymetru in situ. Stwierdzono, że HRR, utrata masy i maksymalna temperatura powierzchni rosną wraz z SOC. Wykazano również, że ryzyko wybuchu było wyższe w przypadku w pełni naładowanego ogniwa 18650 z katodą litowo-kobaltowo-tlenkową (LiCoO2) w porównaniu z ogniwem 18650 z katodą litowo-żelazowo-fosforanową (LiFePO2). Fu et al.16 i Quang et al.17 przeprowadzili eksperymenty ogniowe na LIB (przy 0%-100% SOC) przy użyciu kalorymetru stożkowego. Zaobserwowano, że LIB przy wyższym SOC powodowały większe zagrożenie pożarowe ze względu na krótszy czas do zapłonu i wybuchu, wyższy HRR, wyższą temperaturę powierzchni oraz wyższą emisję CO i CO2 .

Podsumowując, poprzednie badania z użyciem różnych kalorymetrów18,19 (ARC, kalorymetria adiabatyczna, kalorymetria C80 i zmodyfikowana kalorymetria bombowa) dostarczyły obfitych danych na temat procesów elektrochemicznych i termicznych związanych z niekontrolowanym zapłonem termicznym LIB i pożarami (np. HRR, skład uwalnianych gazów) oraz ich zależności od SOC, składu chemicznego baterii i strumienia ciepła padającego2,3,7,20. Jednak większość z tych metod została pierwotnie zaprojektowana dla konwencjonalnych stałych materiałów palnych (np. próbek celulozy, tworzyw sztucznych) i dostarcza ograniczonych informacji w przypadku stosowania do pożarów LIB. Podczas gdy niektóre poprzednie testy mierzyły HRR i całkowitą energię generowaną w reakcjach chemicznych, aspekty kinetyczne pożarów po niekontrolowanych płomieniach termicznych nie zostały w pełni rozwiązane.

Stopień zagrożenia podczas ucieczki termicznej zależy głównie od charakteru i składu uwalnianych gazów2,5. Dlatego ważne jest, aby scharakteryzować uwalniane gazy, szybkość uwalniania i ich zależność od SOC. Niektóre wcześniejsze badania mierzyły skład gazów odpowietrzających niekontrolowany termicznie LIB w środowisku obojętnym (np. w azocie lub argonie)12,21,22; Komponent pożarowy podczas ucieczki termicznej został wykluczony. Ponadto pomiary te były w większości wykonywane po eksperymentach (zamiast in situ). Zmiany składu gazów odlotowych w trakcie i po ucieczce termicznej, zwłaszcza te związane z pożarami i gazami toksycznymi, pozostały niedostatecznie zbadane.

Wiadomo, że niekontrolowana temperatura zaburza elektrochemię baterii i wpływa na napięcie i temperaturę ogniwa. Kompleksowy test charakteryzujący proces niekontrolowanej temperatury LIB powinien zatem zapewnić jednoczesny pomiar temperatury, masy, napięcia i odprowadzanych gazów (szybkość i skład). W poprzednich badaniach nie udało się tego osiągnąć w jednym konfiguracji. W tym badaniu opracowano nową aparaturę i protokół testowy w celu zebrania danych rozdzielczych w czasie dotyczących informacji o komórkach, składu gazów i charakterystyki pożaru podczas i po ucieczce termicznej komórek LIB23. Aparatura testowa jest pokazana w Rysunek 1A. Duża (~600 l) komora środowiskowa służy do ograniczania niekontrolowanego zjawiska termicznego. Komora wyposażona jest w zawór bezpieczeństwa (z ustawionym ciśnieniem manometrycznym na poziomie 0,5 psig), aby zapobiec wzrostowi ciśnienia w komorze. Analizator gazu w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) jest podłączony do komory w celu pobierania próbek gazu in situ przez cały czas trwania testu. Wykrywa 21 rodzajów gazów (H2O, CO2, CO, NO,NO 2, N2O, SO2, HCl, HCN, HBr, HF, NH3, C2H4, C2H6, C3H8, C6H14, CH4, HCHO, C6H6O, C3H4O i COF2). Częstotliwość próbkowania FTIR wynosi 0,25 Hz. Ponadto w komorze w pobliżu portu pobierania próbek FTIR zainstalowany jest samodzielny czujnik wodoru, który rejestruje stężenieH2. W przewodzie wydechowym komory zainstalowane są dwie pompy (odporna na chemikalia pompa membranowa o pojemności 1,3 cfm i pompa próżniowa o mocy 0,5 KM). Po każdym eksperymencie przeprowadzana jest procedura oczyszczania komory w celu przefiltrowania i przepompowania gazu z komory bezpośrednio do przewodu wydechowego budynku.

W każdym eksperymencie komórka jest umieszczana wewnątrz komory w uchwycie na próbkę (Rysunek 1B). Ucieczka termiczna jest wyzwalana przez elektryczną taśmę grzejną sterowaną proporcjonalnie całkującą (PID) przy stałej szybkości nagrzewania 10 °C/min. Temperatury powierzchni ogniw są rejestrowane przez termopary w trzech różnych miejscach na całej długości ogniwa. Ubytek masy ogniwa mierzy się za pomocą bilansu masy. Ciśnienie w komorze jest monitorowane przez przetwornik ciśnienia. Rejestrowane jest również napięcie ogniwa i moc wejściowa (napięcie i prąd) do taśmy grzewczej. Wszystkie odczyty czujników (termopary, ubytek masy, napięcie ogniwa, prąd taśmy grzewczej i napięcie) są zbierane przez niestandardowy program do akwizycji danych z częstotliwością 2 Hz. Wreszcie, dwie kamery (rozdzielczość 1920 x 1080 pikseli) są używane do rejestrowania całego procesu eksperymentów pod dwoma różnymi kątami.

Cel opracowania tej nowej metody testowej jest dwojaki: 1) scharakteryzowanie zachowań dymu i ognia związanych z niekontrolowanym zapłonem termicznym LIB oraz 2) dostarczenie danych eksperymentalnych z rozdzielczością czasową, które umożliwiają opracowanie modeli numerycznych o wysokiej dokładności dla pożarów baterii. Długoterminowym celem jest pogłębienie wiedzy na temat tego, w jaki sposób niekontrolowana temperatura rozprzestrzenia się między ogniwami w zestawie akumulatorów i jak pożar akumulatora skaluje się po przejściu z akumulatorów jednoogniwowych na akumulatory wieloogniwowe. Ostatecznie pomoże to ulepszyć wytyczne i protokoły dotyczące bezpiecznego przechowywania i transportu bibliotek LIB.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Uruchomienie analizatora gazu FTIR

UWAGA: Procedury mogą być różne dla różnych marek i modeli analizatora gazu FTIR. Poniższa procedura dotyczy konkretnego analizatora gazów używanego w tej pracy.

  1. Zainstaluj nowy filtr lub czysty filtr (tj. taki, który został oczyszczony w kąpieli ultradźwiękowej) w filtrze/zaworze (patrz Rysunek 1 i Rysunek 2).
  2. Otwórz zawór butli z azotem podłączonej do analizatora gazów (patrz Rysunek 2). Dostosuj natężenie przepływu azotu do 150-250 cm³/min.
    UWAGA: Ma to na celu przygotowanie do przedmuchiwaniaN2 podczas czyszczenia analizatora gazu przed i po badaniu.
  3. Postępuj zgodnie z procedurą uruchamiania FTIR opisaną w instrukcji producenta, "FTIR and PAS Pro for the FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure"24, wersja 3.1.
    UWAGA: Podczas pracy FTIR przewód gazowy między FTIR a komorą (patrz Rysunek 2) jest utrzymywany w temperaturze 180 °C, aby zapobiec kondensacji gazu. Uważaj, aby nie dotknąć podgrzewanego przewodu i zespołu filtra/zaworu.

2. Przygotowanie komórek

  1. Zapisz datę, godzinę, SOC, uczestników testu, numer testu, producenta ogniwa, format ogniwa i numer modelu komórki na arkuszu dziennika eksperymentu.
  2. Zmierzyć i zapisać napięcie początkowe i masę ogniwa (z dokładnością do 0,01 g) na arkuszu dziennika eksperymentu.
  3. Przymocuj taśmę grzewczą (1 cal x 2 cale, 20 W/cale 2) do środka ogniwa i zrób zdjęcie ogniwa za pomocą taśmy grzewczej. Upewnij się, że przewody taśmy grzewczej są skierowane w stronę ujemnej strony ogniwa (patrz Rysunek 3).
  4. Przymocuj trzy termopary (typ K o średnicy sondy 0,02 cala, długości 12 cali) do powierzchni ogniwa za pomocą taśmy odpornej na wysoką temperaturę, jedną w pobliżu zacisku dodatniego, jedną pośrodku i jedną na dole w pobliżu ujemnego zacisku ogniwa, wszystkie znajdują się w odległości 5 mm od krawędzi taśmy grzewczej (patrz Rysunek 3A). Użyj termopary w pobliżu zacisku dodatniego, aby kontrolować szybkość ogrzewania za pomocą PID. Po zamontowaniu termopar zrób zdjęcie ogniwa za pomocą linijki, aby potwierdzić odległość od taśmy grzewczej.
  5. Zakładki niklowe do zgrzewania punktowego (0,1 mm grubości, 5 mm szerokości i 100 mm długości) do dodatnich i ujemnych zacisków ogniwa w celu pomiaru napięcia ogniwa. Upewnij się, że niklowe wypustki są zorientowane w różnych kierunkach, aby zapobiec ich stykaniu się, co mogłoby spowodować zewnętrzne zwarcie (Rysunek 3B).
  6. Załaduj komórkę do uchwytu komórki, jak pokazano na Rysunek 3C.
  7. Upewnij się, że wszystkie przewody pomiaru napięcia i termopary są poprowadzone w kierunku ujemnego zacisku ogniwa, aby uniknąć portów wentylacyjnych na dodatnim zacisku ogniwa.

3. Konfiguracja komory testowej

  1. Włącz diodę elektroluminescencyjną (LED) w komorze.
  2. Umieść ogniwo i uchwyt ogniwa na wadze masy w komorze (patrz Rysunek 4). Podłącz złącza termopary, taśmę grzewczą i niklowe zaczepy do wtyczek i przewodów przepustowych studzienki.
  3. Włącz bilans masy. Wytaruj równowagę.
  4. Włącz zasilanie czujnika wodoru.
  5. Włącz regulator PID dla taśmy grzewczej. Ustaw profil ogrzewania (temperatura: 200 °C; czas narastania: 17 min). Podłącz regulatora PID, akwizycji danych i bilansu masy do laptopa i uruchom program do akwizycji danych na laptopie.
  6. Upewnij się, że wszystkie odczyty czujnika pokazane w programie do akwizycji danych są rozsądne: napięcie ogniwa zbliżone do wartości zmierzonej w kroku 2.2, napięcie i prąd wejściowy do taśmy grzewczej bliskie zeru (ponieważ zasilanie nie jest jeszcze włączone), odczyty termopary zbliżone do temperatury pokojowej (~25 °C), ciśnienie w komorze ~1 atm i odczyt masy ~0 g. Po sprawdzeniu pomiarów wyłącz program do akwizycji danych.
  7. Dostosuj ustawienia kamery z przodu i z boku: ręczny balans bieli (początkowo kalibrowany przy użyciu białej księgi), ręczne ustawianie ostrości (zamocowane na powierzchni ogniwa w pobliżu bieguna dodatniego), automatyczna ekspozycja, automatyczna przysłona i automatyczny czas otwarcia migawki. Upewnij się, że akumulator kamery jest pełny.
  8. Umieść kamerę z widokiem z przodu na statywie na zewnątrz komory (patrz Rysunek 4). Rozpocznij nagrywanie na kamerze bocznej i umieść ją w skrzynce ochronnej w komorze. Sprawdź kąt i view kamery bocznej. Zamknij skrzynkę ochronną.
  9. Sprawdź dokładnie, czy w komorze nie ma żadnych niebezpiecznych lub niepotrzebnych przedmiotów i czy nie pominięto jakichś wyżej wymienionych kroków
    10. .
  10. Zamknij komorę i upewnij się, że wszystkie na pokrywach są mocno dokręcone (np. za pomocą klucza udarowego).
  11. Użyj pompy próżniowej lub membranowej, aby przeprowadzić kontrolę szczelności. Dokładnie sprawdź, czy wszystkie zawory, pokrywy i okna obserwacyjne są dobrze zamocowane.
    UWAGA: Jeśli ciśnienie spada powoli lub nie spada, gdzieś są nieszczelności.
  12. Zmienić wlot FTIR z powietrza otoczenia do komory.
  13. Podłącz przewód powrotny FTIR do komory (patrz Rysunek 2).

4. Eksperyment z ucieczką termiczną i pożarem

  1. Ustaw regulator PID w trybie ramp-soak.
  2. Wyłącz światło w pomieszczeniu i światło LED w komorze.
  3. Rozpocznij nagrywanie z kamery przedniej view. Użyj kamery, aby zarejestrować działania w krokach 4.4 i 4.5 w celu synchronizacji czasowej wszystkich zebranych danych (danych z czujników, odczytów FTIR i filmów) po eksperymentach.
  4. Rozpocznij rejestrację danych w programie do akwizycji danych na laptopie.
  5. Uruchom tryb wygrzewania rampy PID po 10 s na timerze programu do akwizycji danych. Włącz oświetlenie LED komory. Rozpocznij nagrywanie FTIR.
  6. Umieść kamerę z widokiem z przodu na statywie i kontynuuj nagrywanie eksperymentu.
  7. Przenieś się do innego pomieszczenia i kontynuuj monitorowanie panelu akwizycji danych na laptopie za pomocą zdalnie sterowanego programu komputerowego. Należy pamiętać, że ten krok jest podejmowany w celu zachowania dodatkowych środków ostrożności i nie jest wymagany. Ponieważ eksperymenty są całkowicie zamknięte w komorze środowiskowej, ryzyko dla otaczającego personelu jest minimalne.
  8. Jeśli znajduje się w tym samym pomieszczeniu co komora, należy nosić odpowiednie środki ochrony osobistej (PPE) przez cały okres badania (np. rękawice, respirator P100, okulary ochronne i ognioodporny fartuch laboratoryjny).

5. Zakończenie eksperymentu

  1. W przypadku wystąpienia niestabilności termicznej (tj. odczyty termopary wykazują nagłe skoki) lub po tym, jak regulator PID utrzymał temperaturę ogniwa na poziomie 200 °C przez 60 minut (w zależności od tego, co nastąpi wcześniej), wyłącz zasilanie taśmy grzewczej i ustaw regulator PID w tryb czuwania.
  2. Poczekaj, aż wszystkie odczyty termopary spadną do temperatury pokojowej (<50 °C). Należy pamiętać, że proces chłodzenia pojedynczej komórki może trwać około 30 minut.
  3. Zatrzymaj program do akwizycji danych na laptopie, pomiar FTIR i nagrywanie wideo.

6. Wyłączanie analizatora gazu FTIR

  1. Postępuj zgodnie z procedurą wyłączania FTIR opisaną w instrukcji producenta, "FTIR and PAS Pro for the FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure", wersja 3.1.
  2. Przedmuchnąć analizator gazu FTIR azotem, aby oczyścić rurkę i analizator przez ~15 minut. Upewnij się, że natężenie przepływu N2 do analizatora gazu FTIR wynosi 150-250 cm3/min.
  3. Podczas przedmuchiwania analizatora gazów należy przesłać wyniki FTIR do pamięci USB.
  4. Po oczyszczeniu wyłącz analizator gazów.
  5. Załóż odpowiednie środki ochrony osobistej, w tym parę rękawic termoizolacyjnych, i wyjmij filtr z podgrzewanego filtra/zaworu. Zachowaj szczególną ostrożność, ponieważ filtr/zawór może być bardzo gorący.
  6. Wyczyść wyjęty filtr kąpielą ultradźwiękową z roztworem czyszczącym.

7. Oczyszczanie komory i zbieranie danych

  1. Przed przystąpieniem do procedury odkurzania w celu oczyszczenia komory należy sprawdzić, czy przewód pobierania próbek FTIR (który jest podłączony do komory) jest zamknięty czy otwarty na powietrze otoczenia. W przypadku modelu analizatora gazów przedstawionego w tym badaniu należy wybrać Ambient Air w oprogramowaniu PAS Pro lub całkowicie wyłączyć FTIR. Niezastosowanie się do tego spowoduje uszkodzenie FTIR.
  2. Upewnij się, że filtr węglowy jest zainstalowany między odporną na chemikalia pompą membranową (pompa 1 w Rysunek 2) a komorą. Zaznacz ilość użyć na filtrze i wymieniaj go na nowy co ~10-15 testów.
  3. Otwórz zawór 1, aby przygotować się do częściowego odkurzania komory za pomocą odpornej na chemikalia pompy membranowej.
  4. Uruchom pompę membranową, aż ciśnienie w komorze spadnie do P1 = 9.7 psia (tj. ciśnienie manometryczne -5).
  5. Wyłącz pompę membranową i zamknij zawór 1.
  6. Otwórz zawór 3 (patrz Rysunek 4), aby napełnić komorę powietrzem z otoczenia.
  7. Zamknij zawór 3, gdy ciśnienie w komorze powróci do ciśnienia otoczenia, P∞.
  8. Powtórz procedurę częściowego odkurzania (kroki 7.3-7.7) pięć razy. Dzięki temu procentowa zawartość spalin w komorze powinna spaść do (P1/P∞)5 = 12,5%.
  9. Otwórz zawór 2, aby przygotować się do pełnego odkurzenia komory za pomocą pompy próżniowej (pompa 2 w Rysunek 2).
  10. Uruchom pompę próżniową, aż ciśnienie w komorze spadnie do P2 = 4.7 psia (lub -10 psia ciśnienia manometrycznego).
  11. Wyłącz pompę i zamknij zawór 2.
  12. Otwórz zawór 3, aby napełnić komorę powietrzem z otoczenia, aż ciśnienie w komorze powróci do ciśnienia otoczenia, P∞.
  13. Powtórz całą procedurę odkurzania (kroki 7.9-7.12) dwa razy.
    UWAGA: Po częściowym i całkowitym odkurzaniu procentowa zawartość spalin w komorze powinna być niższa niż 1,3%.
  14. Otwórz komorę i wyjmij kamerę oraz celę.
  15. Wyłącz bilans masy.
  16. Użyj mokrego ręcznika papierowego do wyczyszczenia wnętrza komory (np. usuń wszelkie zanieczyszczenia i wytrzyj wewnętrzne ścianki komory).
  17. Rób zdjęcia przed, w trakcie i po zdjęciu ogniwa z uchwytu na ogniwo.
  18. Zważyć ogniwo i zapisać jego masę po badaniu.
  19. Pobierz wszystkie zarejestrowane dane (odczyty termopary, napięcie ogniwa, napięcie taśmy grzewczej, prąd, ciśnienie w komorze i pomiar masy ogniwa) z laptopa oraz nagrania wideo z dwóch kamer
    20. .
  20. Połącz zebrane filmy za pomocą oprogramowania do edycji wideo. Zapisz czas wystąpienia głównych zdarzeń, takich jak wentylacja komórek, niekontrolowana ciecz termiczna i pożar. Zapisz połączone wideo w żądanym formacie (np. mp4 lub avi).
  21. Przetwarzaj zebrane dane i generuj wykresy, aby zwizualizować ewolucję w czasie wszystkich pomiarów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Filmy przedstawiające typowe procesy ucieczki termicznej z pożarami oraz bez pożarów zawarte są odpowiednio w Pliku uzupełniającym 1 oraz Pliku uzupełniającym 2. Kluczowe zdarzenia przedstawiono na Rysunku 5. Wraz ze wzrostem temperatury ogniwa (do ~110-130 °C), ogniwo zaczyna pęcznieć, co wskazuje na wzrost ciśnienia wewnętrznego (spowodowany odparowaniem elektrolitów i rozszerzalnością cieplną gazów wewnątrz ogniwa2). Następnie nast...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Najbardziej krytycznymi krokami w protokole są te dotyczące toksycznych gazów uwalnianych w ucieczce termicznej LIB. Badanie szczelności opisane w kroku 3.11 musi być starannie przeprowadzone w celu zapewnienia, że toksyczne gazy są zamknięte w komorze podczas eksperymentów. Procedury oczyszczania gazu w komorze (kroki 7.1-7.14) muszą być również prawidłowo wykonane w celu zmniejszenia zagrożenia związanego z gazami toksycznymi. Gazy toksyczne mogą stanowić tylko niewielką część gazu odpowietrzającego podczas niekontrolo...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

To badanie jest wspierane przez Instytuty Badawcze UL. Wszystkie ogniwa baterii w tej pracy zostały kondycjonowane i przygotowane w laboratorium prof. Chrisa Yuana na Case Western Reserve University (CWRU). Komora testowa jest wypożyczona CWRU z NASA Glenn Research Center. Otrzymaliśmy ogromne wsparcie w zakresie analizatora gazu FTIR od byłej doktorantki, dr Yumi Matsuyama z CWRU, oraz wsparcie techniczne w zakresie czujnika H2 od Jeffa Tuckera, Brandona Wicksa i Briana Engle z Amphenol Advanced Sensors. Szczerze doceniamy wsparcie ze strony Pushkala Kannana i Boyu Wanga z CWRU. Chcielibyśmy również podziękować za rozmowy techniczne z Alexandrą Schraiber z UL Solutions.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
RównowagaA& DEJ-6100
Filtr węglowyWhatmanWHA67041500
Przetwornik prąduNK TechnologiesAT1-010-000-FT
Kamera przedniaSonyFDR-AX53
Analizator gazu FTIRTechnologia testowania ogniaProtea atmosFIR AFS-A-15
Taśma grzewcza (1,00" x 2,00")Birk Manufacturing, Inc.BK3512-19.6-L24-03
Taśma odporna na wysokie temperaturyKapton
Czujnik wodoruAmphenolAX220135
typu K, termoparaOmegaKMQSS-020U-12
LabVIEWNational Instruments
MatlabMathWorks
NI-9213National InstrumentyNI-9213
NI-9219National InstrumentsNI-9219
NI-cDAQ-9174National InstrumentsNI-cDAQ-9174
NI-USB-6009 NationalInstrumentsNI-USB-6009
Regulator PIDOmegaCN8200
PILOT5000 Odporna na chemikalia membranowa pompa próżniowaLab Depot
Zawór bezpieczeństwaStravalRVL20-10T-N4675
Przetwornik ciśnieniaKeller0308.01601.081303.02
Taśma z czystego niklu (0,1x5x100mm 99,6% niklu)Amerykańska
McMaster55865T52
Wkład respiratoraHoneywell 75Scp100L
Łopatkowa pompa próżniowa (0,5 KM)AlcatelPascal 2010
Kamera bocznaSonyHDR-CX110
Zgrzewarka punktowaSUNKKO737G+
TeamViewerTeamViewer
Przetwornik napięciaCR Magnetics Inc.Zobacz materiał CR4510-50
TLD5000 półmaska oddechowa do produktów stałych

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

analizator gaz w FTIRstan na adowaniaubytek masyupust gaz w z ogniwata ma grzewcza
In Situ Analiza gazów i charakterystyka pożaru ogniw litowo-jonowych podczas ucieczki termicznej z wykorzystaniem komory środowiskowej
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.