Ускоряющая калориметрия и дополнительные методы для определения характеристик угроз безопасности аккумуляторных батарей

Summary

Метод характеристики потенциальной опасности отказа литиевых батарей достигается с помощью ускоряющейся калориметрии. В этом эксперименте собраны данные о выделении тепла и давления, визуальном наблюдении за отказом и улавливании выделяющихся газов для выявления наихудших вероятных угроз выхода батарей из строя.

Abstract

Опасности, связанные с химическими составами литиевых аккумуляторов, хорошо задокументированы из-за их катастрофического характера. Риск обычно качественно оценивается с помощью матрицы инженерных рисков. В рамках матрицы потенциально опасные события классифицируются и ранжируются с точки зрения серьезности и вероятности, чтобы обеспечить ситуационную осведомленность лиц, принимающих решения, и заинтересованных сторон. Стохастический характер отказов аккумуляторов, особенно литий-ионных химических веществ, затрудняет правильную оценку вероятностной оси матрицы. К счастью, существуют инструменты для определения характеристик, такие как ускоренная калориметрия (ARC), которые характеризуют степень серьезности отказа батареи. ARC широко используется для определения характеристик химически активных веществ, но может стать новым приложением для индуцирования отказов батарей в безопасных, контролируемых экспериментальных условиях и количественной оценки критических параметров безопасности. Благодаря прочному характеру калориметра увеличенного объема, элементы могут быть безопасно выведены из строя из-за различных злоупотреблений: термических (простой нагрев элемента), электрохимических (перезаряд), электрических (внешнее короткое замыкание) или физических (раздавливание или проникновение гвоздя). В данной статье описываются процедуры подготовки и применения коммерческого литий-ионного аккумуляторного элемента на случай отказа в ДУГ для сбора ценных данных о безопасности: начало теплового разгона, эндотермия, связанная с плавлением полимерного сепаратора, сброс давления во время теплового разгона, сбор газообразных веществ для аналитической характеристики, максимальная температура полной реакции и визуальное наблюдение за процессами разложения с помощью высокотемпературного бороскопа (вентиляция и повреждение элемента могут произойти). Тепловой метод «тепло-ожидание-поиск» используется для индуцирования отказа элемента, при котором батарея постепенно нагревается до заданного значения, а затем прибор определяет тепловыделение от батареи. Поскольку тепло вызывает повышение температуры в батарее, температура калориметра следует за этим повышением температуры, поддерживая адиабатическое состояние. Таким образом, элемент не обменивается теплом с внешней средой, поэтому все тепло, выделяемое батареей при выходе из строя, улавливается.

Introduction

Аккумуляторные батареи, в частности, литий-ионные химические соединения, позволили создать полностью электрическое общество, охватывающее все аспекты повседневной жизни, такие как транспорт, связь и развлечения. Для этих приложений хранения энергии емкость заряда равна запасу хода или времени работы. Максимизация этих параметров приводит к созданию литий-ионных элементов с агрессивной высокой энергией. К сожалению, по мере увеличения электрической энергии в литий-ионных элементах увеличивается и выделение вредной энергии при выходе из строя¹. Ряд регулирующих органов, профессиональных обществ и независимых лабо....

Protocol

1. Калибровка калориметра

ПРИМЕЧАНИЕ: Важно откалибровать калориметр с учетом любых изменений условий теплопередачи в/из той же ячейки (например, подключение электрических кабелей большого диаметра к ячейке) или замену основной измерительной термопары. Прибор следует повторно откалибровать через 2–3 месяца, так как реакция термопары может измениться при длительном использовании.

1. Используйте небольшой сферический сосуд или «бомбу» для калибровки калориметра.
2. Прикрепите пустую сферическую бомбу из известного материала (например, титана, нержавеющей стали, алюминия и т. д.) к нижней стороне крышки калориметра.
3. У....

Results

Репрезентативные данные эксперимента HWS по полностью заряженному коммерческому литий-ионному аккумуляторному элементу 18650 представлены на рисунке 4A, B. На рисунке показана температура ячейки в зависимости от времени во время «закрытой» испытательной установки ARC. Основные тепловые характеристики (_начало T, T_max и ΔT) выделены на рисунке. Место_начала Т является началом экзотермического этапа, который продолжается до тех пор, пока не будет.......

Discussion

Процедура тестирования HWS, выполняемая с помощью прибора ARC, имеет решающее значение для определения наихудшей реальной угрозы безопасности, исходящей от литий-ионного аккумулятора. Измерения температуры начала самонагрева и максимальной температуры при тепловом разгоне дают необходимые объективные данные для точной оценки безопасности литий-ионных элементов. Благодаря использованию экспериментов на основе ARC показатели безопасности батареи могут быть измерены контролируемым и воспрои.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
бороскоп	Оптроника		Жесткий, высокотемпературный бороскоп
Энергетическая лаборатория Потенциостат	Принстон Прикладные исследования / Аметек		потенциостат способен собирать напряжение разомкнутой цепи, гальваностический/потенциостатический цикл батареи и электрохимическая импедансная спектроскопия
Ускорение увеличенного объема Калориметр	Технологии термической опасности		Система среднего размера, диапазон образцов: от компонентов до аккумуляторов. Рабочий объем: 0,57 м3
высокотемпературная лента	неспецифическая
литий-ионная аккумуляторная ячейка	различные		перезаряжаемые смешанные оксиды металлов против графита литий-ионные элементы в форм-факторе 18650
матовый нагреватель	Омега		форм-фактор и размер в зависимости от аккумуляторной батареи для измерений теплоемкости
сферическая бомба	Thermal Hazard Technologies		бомба малого объема для калибровки ARC