Acelerando a calorimetria de taxa e técnicas complementares para caracterizar os riscos de segurança da bateria

Summary

Um método para caracterizar os riscos potenciais de falha das baterias de lítio é obtido com a taxa de calorimetria acelerada. A liberação de calor e pressão, a observação visual do evento de falha e a captura de gases liberados são coletados neste experimento para identificar as piores ameaças críveis de baterias levadas à falha.

Abstract

Os perigos associados aos produtos químicos de baterias à base de lítio estão bem documentados devido à sua natureza catastrófica. O risco é normalmente avaliado qualitativamente por meio de uma matriz de risco de engenharia. Dentro da matriz, os eventos potencialmente perigosos são categorizados e classificados em termos de gravidade e probabilidade para fornecer consciência situacional aos tomadores de decisão e partes interessadas. A natureza estocástica das falhas da bateria, particularmente a química do íon de lítio, torna o eixo de probabilidade de uma matriz difícil de avaliar adequadamente. Felizmente, existem ferramentas de caracterização, como calorimetria de taxa acelerada (ARC), que caracterizam os graus de gravidade da falha da bateria. O ARC tem sido amplamente utilizado para caracterizar produtos químicos reativos, mas pode fornecer uma nova aplicação para induzir falhas de bateria em condições experimentais seguras e controladas e quantificar parâmetros críticos de segurança. Devido à natureza robusta do calorímetro de volume estendido, as células podem ser levadas com segurança à falha devido a uma variedade de abusos: térmico (simples aquecimento da célula), eletroquímico (sobrecarga), elétrico (curto-circuito externo) ou físico (esmagamento ou penetração de pregos). Este artigo descreve os procedimentos para preparar e instrumentar uma célula de bateria comercial de íons de lítio para falha em um ARC para coletar dados de segurança valiosos: início da fuga térmica, endotermia associada à fusão do separador de polímero, liberação de pressão durante a fuga térmica, coleta gasosa para caracterização analítica, temperatura máxima da reação completa e observação visual dos processos de decomposição usando um boroscópio de alta temperatura (ventilação e célula podem violar). Um método térmico de "calor-espera-busca" é usado para induzir a falha da célula, na qual a bateria é aquecida incrementalmente até um ponto de ajuste, então o instrumento identifica a geração de calor da bateria. Como o calor gera um aumento de temperatura na bateria, a temperatura do calorímetro acompanha esse aumento de temperatura, mantendo uma condição adiabática. Portanto, a célula não troca calor com o ambiente externo, portanto, toda a geração de calor da bateria em falha é capturada.

Introduction

As baterias recarregáveis, especificamente a química de íons de lítio, permitiram o funcionamento de uma sociedade totalmente elétrica que abrange todos os aspectos da vida diária, como transporte, comunicação e entretenimento. Para essas aplicações de armazenamento de energia, a capacidade de carga equivale ao alcance ou tempo de execução. A maximização desses parâmetros leva a células de íons de lítio agressivamente de alta energia. Infelizmente, à medida que a energia elétrica aumenta dentro das células de íons de lítio, o mesmo acontece com a liberação de energia prejudicial quando ocorre uma falha¹. Várias agências reguladoras, sociedades profissionais e laboratórios independentes desenvolveram padrões para caracterizar melhor a segurança das baterias recarregáveis. Um método usado para quantificar a intensidade térmica de um evento de segurança da bateria é a calorimetria de taxa acelerada (ARC)^2,3. Esse tipo de calorimetria é realizado quase adiabaticamente para capturar a geração explícita de calor de um material ou célula de bateria no início de uma reação exotérmica e, em seguida, por meio de processos de reação do tipo combustão e fuga térmica. O instrumento ARC oferece uma oportunidade de caracterizar o pior caso de geração de calor, pressão e gás a partir de uma reação exotérmica de material em um ambiente de laboratório seguro e controlado.

O instrumento ARC foi desenvolvido pela primeira vez na década de 1970 para simular reações exotérmicas de produtos químicos perigosos e reativos em escalas seguras e avaliar os perigos de produtos químicos reativos para elaborar procedimentos de segurança para manuseio, uso, armazenamento e transporte⁴. No início da década de 1980, o ARC foi usado pela primeira vez com o objetivo de estudar reações de fuga térmica em células de lítio. O ARC opera por meio de "controle adiabático adaptativo", o que significa que a temperatura do calorímetro tenta corresponder à temperatura da célula enquanto ocorre uma reação. Também não há troca de calor entre a amostra que está sendo testada e o ambiente circundante. Ao fazer isso, à medida que a célula se autoaquece e sua temperatura aumenta, a transferência de calor entre a célula e seus arredores é minimizada. Um esquema da câmara ARC com elementos de aquecimento e locais para teste de células de íons de lítio é mostrado na Figura 1.

O instrumento ARC está disponível em vários tamanhos para acomodar uma ampla gama de materiais de bateria, componentes de células, células, baterias e módulos de bateria, conforme mostrado na Tabela 1. O ARC também oferece uma variedade de protocolos de teste de análise térmica, incluindo o mais prevalente para caracterização de segurança de baterias de íons de lítio, conhecido como heat-wait-seek (HWS). As medições ARC podem ser realizadas em uma configuração de teste "aberta" ou "fechada". A principal diferença entre essas duas configurações de teste é a capacidade de realizar medições de amostragem de pressão e gás no sistema fechado. A configuração aberta se presta à observação visual através do uso de uma câmera de alta temperatura ou boroscópio ^4,5. O uso de um pequeno vaso de pressão esférico ou "bomba" tem sido utilizado no ARC para medir a liberação de calor de reação de materiais de eletrodo de bateria⁶. Normalmente, a liberação de calor é governada pela concentração de lítio nos materiais e se intensifica na presença de solventes eletrolíticos orgânicos e sais de lítio ^7,8. No nível celular, um ARC de volume estendido é necessário para reter com segurança o calor, a pressão e a liberação de gás do processo de fuga térmica. Além disso, os recursos podem ser incorporados ao instrumento ARC para induzir falhas na bateria por penetração de pregos, sobrecarga eletroquímica ou curto-circuito externo.

O Sandia National Laboratory tem sido historicamente um líder na caracterização ARC de baterias em apoio aos Departamentos de Energia e Transporte dos EUA. A Sandia publicou muitos relatórios destacando sua importância na geração de dados críticos de segurança, o que influenciou a política federal e os padrões de segurança ^9,10. No relatório, eles fornecem parâmetros de teste ideais, coleta de dados e critérios de relatório⁹. A maioria das práticas recomendadas é adotada neste artigo para caracterizar o risco térmico de uma única célula cilíndrica de íons de lítio sob fuga térmica utilizando o protocolo HWS. Especificamente, o ARC pode fornecer evidências quantitativas objetivas de fatores que afetam a segurança de baterias de íons de lítio e materiais de bateria (ou seja, temperatura máxima, taxa de aquecimento em função do tempo/temperatura, gás de ventilação em função do tempo/temperatura e análise química de substâncias perigosas de gás ventilado e fumaça) durante uma falha de bateria.

O protocolo de teste ARC mais comumente usado para testes de segurança de bateria é o HWS. O protocolo HWS oferece detecção precisa de reações exotérmicas que ocorrem dentro das células de íons de lítio e é mais preciso do que um simples modo de aquecimento em rampa. Este é o método padrão para caracterização de fuga térmica da bateria. A câmara é aquecida a uma temperatura inicial e, em seguida, é aplicado um tempo de espera que depende da massa da amostra e das propriedades de transferência de calor. Após esta etapa, o calorímetro busca uma exotermia maior que a sensibilidade definida (por exemplo, 0,02 ° C / min). Se nenhuma exoterma for observada no período de tempo alocado, a câmara aquece novamente por um passo de temperatura definido (por exemplo, 5 ° C) e o processo é repetido. A Figura 2 mostra o fluxograma do processo para HWS (Figura 2A) e dados experimentais que ilustram os vários estágios do HWS nas primeiras iterações (Figura 2B).

As definições completas de cada uma das etapas de teste no protocolo HWS são as seguintes. O modo de aquecimento é a potência fornecida aos aquecedores de câmara para elevar a temperatura da câmara e do dispositivo em teste (DUT). O modo de espera ocorre quando o equilíbrio térmico é estabelecido entre o calorímetro e a bomba ou o artigo de teste. O modo de busca ocorre quando os cálculos de mudança de temperatura são determinados e o tempo está relacionado à mudança de sensibilidade, normalmente 0,02 °C/min. O modo de resfriamento é iniciado no final de um teste, quando uma temperatura ou pressão máxima é atingida. O mecanismo de resfriamento tradicional envolve o fluxo de um gás inerte, como nitrogênio, para a câmara. Alternativamente, nitrogênio líquido pode ser introduzido na câmara para acelerar o resfriamento. O modo exotérmico refere-se a um aumento na temperatura observado após uma etapa de busca ser denominado exotermia. Isso descreve um ambiente no qual o autoaquecimento do artigo de teste é maior que a sensibilidade selecionada, normalmente 0,02 °C/min. O modo exotérmico continua até que a taxa de autoaquecimento caia abaixo da sensibilidade desejada, momento em que outro modo de aquecimento é acionado e a sequência de espera de calor continua até que um limite máximo de temperatura ou pressão seja atingido.

Protocol

1. Calibração do calorímetro

NOTA: É importante calibrar o calorímetro para acomodar quaisquer alterações nas condições de transferência de calor de/para a mesma célula (por exemplo, conectar cabos elétricos de grande diâmetro à célula) ou substituir o termopar de medição principal. O instrumento deve ser recalibrado após um período de 2 a 3 meses, pois as respostas do termopar podem mudar com o uso prolongado.

1. Use um pequeno recipiente esférico ou "bomba" para calibração do calorímetro.
2. Anexe uma bomba esférica vazia de material conhecido (ou seja, titânio, aço inoxidável, alumínio, etc.) na parte inferior da tampa do calorímetro.
3. Certifique-se de que o calorímetro esteja limpo e livre de detritos.
4. Combine as condições de calibração com as condições de teste previstas. Quaisquer acessórios especiais devem estar presentes dentro da câmara no local previsto para calibração adequada.
5. Conecte a ponta do fio do termopar da bomba à superfície do vaso esférico da bomba. A ponta deve estar em contato com a bomba para que a calibração funcione corretamente. Prenda o fio e os cabos do termopar com fita de alta temperatura, se necessário.
6. Certifique-se de que a tampa do calorímetro esteja completamente fechada, com a tampa e a base mostrando bom contato.
7. Feche a caixa de jateamento para eliminar as correntes de ar que sopram no calorímetro, o que pode afetar a medição.
8. Utilizar os seguintes parâmetros para um ensaio de calibração: passo de temperatura = 25 °C; temperatura inicial = 50 °C; temperatura final = 405 °C; sensibilidade da taxa de temperatura = 0,01 °C/min; e tempo de espera = 30 min.
9. Certifique-se de que os desvios de calibração anteriores sejam apagados do software.
10. Inicie o procedimento de calibração.

2. Teste do fator Phi

NOTA: Mesmo o ARC de melhor desempenho não pode atingir a disponibilidade total. Portanto, algum calor é perdido durante o teste e deve ser contabilizado para fornecer dados calorimétricos precisos.

1. Considere a perda térmica calculando um fator de compensação, φ, usando a seguinte equação:

Aplique a capacidade térmica e a massa conhecidas (c e m) para a bomba e a amostra. Conclua um teste de deriva após a calibração da câmara. Certifique-se de que o fator phi resultante esteja dentro de ±0.02 °C/min.

3. Massa térmica e capacidade térmica de células de bateria comerciais para testes destrutivos

1. Calcule a capacidade de calor durante um aquecimento curto, suave e não destrutivo da célula. Execute esta operação em uma faixa de temperatura de 25–55 °C (temperatura ambiente para a temperatura operacional máxima recomendada da célula). Use nitrogênio líquido para avaliar a capacidade de calor de temperaturas subambientes.
2. Colete a massa de uma única célula para três células idênticas.
3. Fixe uma esteira de aquecimento ao longo do eixo de uma única célula 18650 com fita de alta temperatura.
   NOTA: A configuração do teste físico pode variar de acordo com a geometria da célula, e é necessária uma esteira de aquecimento de tamanho adequado para diferentes tamanhos de célula.
4. Para calorímetros de volume estendido, agrupe três células, incluindo a célula com tapete aquecedor, em forma de triângulo. Prenda as células com fita adesiva de alumínio.
5. Conecte um termopar de controle no comprimento médio de uma célula adjacente à célula com a esteira aquecedora.
6. Suspenda o triângulo de três células da parte superior do calorímetro usando fio de metal.
7. Recoloque firmemente a tampa do calorímetro.
8. Certifique-se de que os fios do aquecedor saiam do calorímetro e estejam conectados à fonte de alimentação variável.
9. Inicie o teste de capacidade térmica ativando a fonte de alimentação para rampa de 30–60 °C durante um período de ~2 h.

NOTA: Os dados típicos de temperatura versus tempo (convertidos em K / s) usados para calcular c_p são fornecidos na Figura 3. A energia fornecida ao aquecedor é calculada multiplicando a tensão e a corrente da fonte de alimentação para fornecer a potência em unidades de W ou J/s. A potência do aquecedor é dividida pela inclinação do gráfico de temperatura versus tempo para fornecer a massa térmica em unidades de J/K. Finalmente, a massa térmica é dividida pela massa da amostra para fornecer a capacidade térmica da célula em unidades de J / g · K. Um exemplo de medição da capacidade térmica é mostrado abaixo, conforme dados da Figura 3:

Inclinação da temperatura vs. tempo, a partir de dados brutos: 0,3738 °C/min = 0,00623 K/s
Potência do aquecedor: (8.53 V x 0.639 A) @ 30% = 1.635 W = 1.635 J/s
Massa térmica (potência/inclinação) = 262.472 J/K
Capacidade térmica (massa térmica/massa) = 262,472 J/K dividido por 244 g = 1,075 J/g· K

4. Teste de falha destrutiva de uma célula de bateria comercial de íons de lítio 18650

1. Padrão "heat-wait-seek" para célula de bateria
   1. Certifique-se de que o artigo de teste de bateria/célula comercial ou "dispositivo em teste" (DUT) esteja no estado de carga desejado (SOC) para teste; idealmente, o SOC é 100% para representar a "pior ameaça credível" de uma falha de bateria.
   2. Abra a tampa da câmara externa.
   3. Remova a tampa superior do calorímetro para providenciar a colocação do artigo de teste da bateria. A câmara deve estar livre de detritos usando um vácuo padrão e um pano leve com solvente das paredes do calorímetro.
   4. Monte a célula cilíndrica em um suporte de célula na direção vertical e coloque-a ligeiramente fora do centro do interior do calorímetro. O posicionamento fora do centro garante a captura máxima de vídeo durante o evento de fuga térmica quando a câmera de boroscópio de alta temperatura não é obstruída por vapores de eletrólitos ejetados, fumaça e ejeção de células da ventilação superior da célula.
      NOTA: Alternativamente, a célula pode ser fixada na direção horizontal usando um suporte de anel padrão. Sempre que itens adicionais, como suportes de anel, forem inseridos no calorímetro, outra calibração deve ser realizada.
   5. Fixe o termopar designado "termopar bomba" na célula cilíndrica no comprimento médio da parede e fixado com fio de níquel de alta temperatura. Isso é feito para 1) manter o termopar no lugar durante o esforço mecânico da lata de célula e 2) evitar o derretimento de fita alternativa de alta temperatura, que às vezes não pode suportar o grau de liberação de calor da célula.
      NOTA: É importante manter um bom contato entre o termopar e a parede celular para garantir a leitura precisa da temperatura necessária para controlar o aquecimento adiabático da câmara do calorímetro.
   6. Prenda o DUT com clipes estilo jacaré apropriados para carga de célula, descarga, vol de circuito abertotage monitoramento ou medições de impedância eletroquímica. Passe os cabos elétricos pelas ranhuras na superfície superior da câmara do calorímetro.
   7. Recoloque a tampa do calorímetro com cuidado para não prender nenhum termopar ou cabo elétrico.
   8. Use os recursos de foco manual no boroscópio de alta temperatura para maximizar a qualidade da imagem antes do teste. Freqüentemente, o boroscópio é focado na placa inferior do suporte da célula para levar em conta as flutuações no foco óptico durante o aquecimento do calorímetro.
   9. Inicie um protocolo de teste térmico de HWS. Os parâmetros de teste e valores representativos são os seguintes:
      - Temperatura inicial: 35 °C
      - Temperatura final: 305 °C
      - Etapa de temperatura: 5 °C
      - Sensibilidade da taxa de temperatura: 0,02 °C / min
      - Tempo de espera: 30 min
      - Etapa de temperatura de cálculo: 0,2 °C
      - Temperatura fria: 35 °C
      - Temperatura de liberação: 50 °C
      - Pressão de segurança: 200 Bar
      - Queda máxima de temperatura: 25 °C
      - Queda de pressão máxima: 20 Bar
      - Taxa exotérmica máxima: 1000,00 °C / min
      - Taxa de pressão máxima: 160342 Bar / min
      - Etapa de temperatura do registro de dados: 1,00 °C
      - Intervalo de tempo do registro de dados: 0,5 min
      - Etapa de temperatura logarítmica exotérmica: 1,00 °C
   10. Se a coleta de gás for desejada, defina a temperatura de coleta (por exemplo, 120 °C) e o período de tempo de coleta (por exemplo, 0.5 min).
   11. Inicie o teste HWS e permita que a célula entre em fuga térmica.
       NOTA: Uma vez atingida a temperatura máxima do calorímetro, um exaustor é iniciado automaticamente para remover qualquer fumaça do calorímetro.
   12. Deixe a câmara esfriar completamente até quase a temperatura ambiente antes de abrir o ARC e remover a tampa do calorímetro. O tempo de resfriamento da câmara pode ser acelerado usando injeção de nitrogênio líquido ou gasoso no fundo da câmara. Sem assistência de nitrogênio, o resfriamento pode levar até 24 horas.
   13. O processo ARC HWS resulta na decomposição/combustão da célula da bateria, deixando materiais de eletrodo queimados e
   detritos dentro da câmara. Limpe o calorímetro usando um aspirador de pó e limpe as paredes do calorímetro com um solvente suave.

5. Garantir o teste ARC bem-sucedido da célula de íons de lítio

1. Certifique-se de que a célula esteja no SOC apropriado. As células totalmente carregadas normalmente fornecem a maior liberação de calor e temperatura de início precoce, indicando a pior ameaça de segurança confiável.
2. Certifique-se de que o termopar da bomba esteja preso à célula com fio de metal. A não aderência da ponta do termopar à parede lateral da bateria não captará os efeitos do autoaquecimento.
3. Verifique novamente as designações do termopar: a bomba está conectada à célula, a amostra está flutuando livremente dentro da câmara do calorímetro e (se estiver usando vários termopares auxiliares) suas localizações são conhecidas e verificadas.
4. Se estiver realizando monitoramento de tensão de circuito aberto ou eletroquímica no ARC, certifique-se de que a célula registre um valor de tensão esperado. Vol inesperadotage ou vol negativotage sugere que os cabos elétricos dentro do recipiente ARC podem ter perdido a conexão ou os fios foram invertidos. Tenha cuidado para não causar curto-circuito na célula durante a configuração, pois toda a câmara é metálica.

6. Interpretação dos dados ARC e cálculo do calor de reação

1. Calcular o calor total da reacção em unidades de calor por massa (J/g ou J/kg).
2. Use dados de temperatura versus tempo para obter propriedades térmicas básicas da reação, como o início da exotermia, o_início de T e a temperatura máxima da reação, T_max, usando a equação:

3. Utilizar a capacidade calorífica medida no procedimento anterior e calcular o calor total da reação. Use o fator de deslocamento φ para explicar a falta de adiabilidade perfeita.

4. Calcule o aumento de pressão durante a reação usando a seguinte equação:

5. Plote a taxa de temperatura logarítmica versus temperatura para mostrar como a reação se desenvolve ao longo da faixa de temperatura (Figura 4B). Converta a taxa de temperatura (°C/min) em unidades de J/s usando a capacidade térmica.

Results

Dados representativos do experimento HWS de uma célula de bateria comercial de íons de lítio 18650 totalmente carregada são fornecidos na Figura 4A, B. A figura mostra a temperatura da célula em função do tempo durante uma configuração de teste ARC "fechada". As características térmicas básicas (_início T, T_max e ΔT) são destacadas na figura. A localização do_início de T é o início da etapa exotérmica, que continua até que T_max seja ...

Discussion

O procedimento de teste HWS realizado com o instrumento ARC é fundamental para determinar a pior ameaça de segurança credível representada por uma bateria de íons de lítio. As medições da temperatura de início do autoaquecimento e da temperatura máxima durante a fuga térmica fornecem os dados objetivos necessários para avaliar com precisão a segurança das células de íons de lítio. Por meio do uso de experimentos baseados em ARC, as métricas de segurança da bateria podem ser medidas de ma...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
boroscópio	Optrônica		Boroscópio rígido de alta temperatura
Potenciostato de Laboratório de Energia	Pesquisa Aplicada de Princeton / Potenciostato Ametek		capaz de coletar tensão de circuito aberto, ciclagem de bateria galvanástica/potenciostática e espectroscopia de impedância eletroquímica
Calorímetro de taxa de aceleração de volume estendido Tecnologias	risco térmico		Sistema de médio porte, faixa de amostragem: componentes para baterias. Volume de trabalho: 0,57 m3
fita de alta temperatura	célula
	vários		óxido metálico misto recarregável versus célula de íon de lítio de grafite em aquecedor de esteira de fator de forma 18650
	Fator de		e tamanho dependendo da célula da bateria para medições de capacidade de calor
esférica Tecnologias			de risco térmicobomba de pequeno volume para calibração de ARC