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

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

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....

Protocolo

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....

Resultados

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 .......

Discussão

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.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
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

de de bateria de íon de lítio não específica forma ômega bomba