Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

In situ Gassanalyse og brannkarakterisering av litiumionceller under termisk rømning ved bruk av et miljøkammer

Published: March 31, 2023 doi: 10.3791/65051
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, 2
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Case Western Reserve University, 2UL Research Institutes

Summary

Her beskriver vi en testprosedyre utviklet for å karakterisere termisk rømning og brann i litium-ion-celler gjennom in situ-målinger av ulike parametere i et miljøkammer.

Abstract

Et eksperimentelt apparat og en standard operasjonsprosedyre (SOP) er utviklet for å samle tidsoppløste data om gasssammensetninger og brannegenskaper under og etter termisk rømning av litiumionbattericeller (LIB). En sylindrisk celle fra 18650 er betinget til en ønsket ladetilstand (SOC; 30%, 50%, 75% og 100%) før hvert eksperiment. Den kondisjonerte cellen blir tvunget inn i en termisk rømning av et elektrisk varmebånd med konstant oppvarmingshastighet (10 ° C / min) i et miljøkammer (volum: ~ 600 L). Kammeret er koblet til en Fourier-transform infrarød (FTIR) gassanalysator for konsentrasjonsmålinger i sanntid. To videokameraer brukes til å registrere store hendelser, for eksempel celleventilering, termisk rømning og den påfølgende brenningsprosessen. Forholdene til cellen, for eksempel overflatetemperatur, massetap og spenning, registreres også. Med dataene som er oppnådd, kan cellepseudoegenskaper, ventilerende gassammensetninger og ventileringsmassehastighet utledes som funksjoner av celletemperatur og celle-SOC. Mens testprosedyren er utviklet for en enkelt sylindrisk celle, kan den lett utvides til å teste forskjellige celleformater og studere brannutbredelse mellom flere celler. De innsamlede eksperimentelle dataene kan også brukes til utvikling av numeriske modeller for LIB-branner.

Introduction

I løpet av de siste tiårene har litium-ion-batterier (LIB) vunnet popularitet og dratt nytte av enorme teknologiske fremskritt. På grunn av ulike fordeler (f.eks. Høy energitetthet, lite vedlikehold, lave selvutladnings- og ladetider og lang levetid), har LIB blitt ansett som en lovende energilagringsteknologi og mye brukt i ulike applikasjoner, for eksempel store energilagringssystemer (ESS), elektriske kjøretøyer (EV) og bærbare elektroniske enheter. Mens den globale etterspørselen etter LIB-celler forventes å dobles fra 725 GWh i 2020 til 1.500 GWh i 20301, har det vært en betydelig økning i branner og eksplosjoner relatert til LIB de siste årene2. Disse ulykkene demonstrerer den høye risikoen forbundet med LIB, noe som gir grunn til bekymring for bruken av dem i stor skala. For å redusere disse bekymringene er det avgjørende å få en grundig forståelse av prosessen med LIB thermal runaway som fører til branner.

Tidligere ulykker har vist at LIB-celler svikter når celleelektrokjemien forstyrres av overoppheting under unormale driftsforhold (som ekstern kortslutning, rask utladning, overlading og fysisk skade) eller på grunn av produksjonsfeil og dårlig design 2,3,4. Disse hendelsene fører til dekomponering av faststoff-elektrolyttgrensesnittet (SEI), som stimulerer svært eksoterme kjemiske reaksjoner mellom elektrodematerialer og elektrolytter. Når varmen som produseres i disse reaksjonene overstiger det som blir spredt, resulterer det i rask selvoppvarming av cellene, også kjent som termisk runaway. Intern temperatur og trykk kan fortsette å stige til oppbygget trykk får batteriet til å sprekke og frigjøre brannfarlige, giftige gasser ved høy hastighet. I en flercellebatterikonfigurasjon kan en termisk rømning i en enkelt celle, hvis den ikke kontrolleres, føre til termisk løpsk forplantning til andre celler og hendelser med brann og eksplosjon på katastrofale nivåer, spesielt i lukkede rom med begrenset ventilasjon. Dette utgjør betydelige trusler mot menneskers sikkerhet og strukturer.

I løpet av de siste tiårene har det blitt utført en rekke studier for å undersøke de termiske løpske reaksjonene til LIBer som fører til forbrenning av organiske elektrolytter inne i batteriet og utslipp av brannfarlige gasser under forskjellige oppvarmingsforhold 2,5,6,7,8,9,10,11,12. For eksempel demonstrerte Jhu et al.10 den farlige naturen til ladede sylindriske LIBer sammenlignet med ikke-ladede ved bruk av et adiabatisk kalorimeter. Mange andre studier fokuserte på den termiske løpske oppførselen til LIB ved forskjellige ladningstilstander (SOCs). For eksempel undersøkte Joshi et al.13 termisk rømning av ulike typer kommersielle LIBer (sylindrisk og pose) ved forskjellige SOC-er. Det ble lagt merke til at celler ved høyere SOC hadde større sjanse for å gjennomgå termisk runaway sammenlignet med de ved lavere SOCs. I tillegg varierte minimum SOC for at en termisk rømning skulle forekomme med celleformater og kjemikalier. Roth et al.11 testet sylindriske LIBer i et kalorimeter med akselererende hastighet (ARC) og observerte at etter hvert som SOC økte, ble starttemperaturen på termisk runaway redusert og akselerasjonshastigheten økte. Golubkov et al.12 utviklet en spesialdesignet teststand og viste at den maksimale overflatetemperaturen til sylindriske LIBer kunne være så høy som 850 ° C. Ribière et al.14 brukte et brannutbredelsesapparat for å undersøke de branninduserte farene ved posens LIB og la merke til at varmeavgivelseshastigheten (HRR) og giftig gassproduksjon varierte betydelig med cellens SOC. Chen et al.15 studerte brannoppførselen til to forskjellige 18650 LIBer (LiCoO2 og LiFePO4) ved forskjellige SOCer, ved hjelp av en skreddersydd in situ kalorimeter. HRR, massetap og maksimal overflatetemperatur ble funnet å øke med SOC. Det ble også påvist at eksplosjonsfaren var høyere for en fulladet litiumkoboltoksid (LiCoO 2) katode 18650-celle sammenlignet med en litiumjernfosfat (LiFePO2)-katode 18650-celle. Fu et al.16 og Quang et al.17 gjennomførte branneksperimenter på LIBs (ved 0% -100% SOCs) ved hjelp av en kjeglekalorimeter. Det ble observert at LIB ved høyere SOC resulterte i høyere brannfare på grunn av kortere tid til antennelse og eksplosjon, høyere HRR, høyere overflatetemperatur og høyere COog CO 2 -utslipp.

For å oppsummere har tidligere studier ved bruk av forskjellige kalorimetre18,19 (ARC, adiabatisk kalorimetri, C80-kalorimetri og modifisert bombekalorimetri) gitt rikelig med data om de elektrokjemiske og termiske prosessene forbundet med LIB-termisk rømning og branner (f.eks. HRR, sammensetninger av de ventilerte gassene) og deres avhengigheter av SOC, batterikjemi og innfallende varmefluks2,3, 7,20. Imidlertid ble de fleste av disse metodene opprinnelig designet for konvensjonelle faste brennbare materialer (f.eks. celluloseprøver, plast) og gir begrenset informasjon når de brukes på LIB-branner. Mens noen tidligere tester målte HRR og den totale energien generert fra kjemiske reaksjoner, ble kinetikkaspektene ved posttermiske løpske branner ikke fullstendig adressert.

Alvorlighetsgraden av farer under termisk rømning er hovedsakelig avhengig av arten og sammensetningen av gassene som slippes ut 2,5. Derfor er det viktig å karakterisere de frigjorte gassene, ventilasjonshastigheten og deres avhengighet av SOC. Noen tidligere studier målt ventilgasssammensetningen av LIB termisk rømning i et inert miljø (f.eks. i nitrogen eller argon)12,21,22; Brannkomponenten under den termiske rømlingen ble ekskludert. I tillegg ble disse målingene for det meste utført etter eksperimenter (i stedet for in situ). Utviklingen av gasssammensetningen under og etter termisk rømning, spesielt de som involverer branner og giftige gasser, forble underutforsket.

Det er kjent at thermal runaway forstyrrer elektrokjemien til batteriet og påvirker cellespenningen og temperaturen. En omfattende test for å karakterisere den termiske rømningsprosessen til LIB bør derfor gi samtidig måling av temperatur, masse, spenning og ventilerte gasser (hastighet og sammensetning). Dette har ikke blitt oppnådd i et enkelt oppsett i de tidligere studiene. I denne studien utvikles et nytt apparat og testprotokoll for å samle tidsoppløste data om celleinformasjon, gasssammensetninger og brannegenskaper under og etter termisk rømning av LIB-celler23. Testapparatet er vist i figur 1A. Et stort (~ 600 L) miljøkammer brukes til å begrense den termiske rømningshendelsen. Kammeret er utstyrt med en trykkavlastningsventil (med et innstilt målertrykk ved 0,5 psig) for å forhindre trykkstigning i kammeret. En Fourier transform infrarød (FTIR) gassanalysator er koblet til kammeret for in situ gassprøvetaking gjennom hele testen. Den oppdager 21 gassarter (H 2 O, CO 2, CO, NO, NO2, N 2 O, SO 2, HCl, HCN, HBr, HF, NH 3, C 2 H 4, C 2 H 6, C 3 H8, C 6 H14, CH 4, HCHO, C 6 H6 O, C 3H 4 O og COF 2). FTIR samplingsfrekvensen er 0,25 Hz. I tillegg er en frittstående hydrogensensor installert inne i kammeret nær FTIR-prøvetakingsporten for å registrere H2-konsentrasjonen. To pumper (en 1,3 cfm kjemikaliebestandig membranpumpe og en 0,5 hk vakuumpumpe) er installert i kammerets eksosrør. Etter hvert eksperiment følges en kammeroppryddingsprosedyre for å filtrere og pumpe kammergassen direkte til bygningens eksosrør.

I hvert eksperiment settes cellen opp inne i kammeret i en prøveholder (figur 1B). Termisk rømning utløses av et proporsjonalt-integrert-derivat (PID)-styrt elektrisk oppvarmingstape med en konstant oppvarmingshastighet på 10 °C/min. Celleoverflatetemperaturer registreres av termoelementer på tre forskjellige steder langs cellens lengde. Massetapet av cellen måles ved en massebalanse. Kammertrykket overvåkes av en trykktransduser. Cellespenningen og strøminngangen (spenning og strøm) til varmebåndet registreres også. Alle sensoravlesninger (termoelementer, massetap, cellespenning, varmebåndstrøm og spenning) samles inn av et tilpasset datainnsamlingsprogram med en hastighet på 2 Hz. Til slutt brukes to videokameraer (1920 piksler x 1080 pikslers oppløsning) til å registrere hele prosessen med eksperimentene fra to forskjellige vinkler.

Målet med å utvikle denne nye testmetoden er todelt: 1) å karakterisere røyk- og brannatferden forbundet med LIB thermal runaway og 2) å gi tidsoppløste eksperimentelle data som muliggjør utvikling av numeriske modeller med høy validitet for batteribranner. Det langsiktige målet er å fremme forståelsen av hvordan termisk rømning forplanter seg mellom celler i en batteripakke og hvordan en batteribrann skaleres opp når man går fra enkeltceller til flercellebatterier. Til syvende og sist vil dette bidra til å forbedre retningslinjer og protokoller for lagring og transport av LIB-er trygt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Oppstart av FTIR gassanalysator

MERK: Prosedyrene kan være forskjellige for forskjellige merker og modeller av FTIR-gassanalysatoren. Følgende prosedyre gjelder for den spesifikke gassanalysatoren som brukes i dette arbeidet.

  1. Installer et nytt filter eller et rent filter (dvs. et som har blitt rengjort i et ultralydbad) i filteret / ventilenheten (se figur 1 og figur 2).
  2. Åpne ventilen til nitrogensylinderen som er koblet til gassanalysatoren (se figur 2). Juster nitrogenstrømningshastigheten til 150-250 cc / min.
    MERK: Dette er for å forberede N2-rensing under rengjøring av gassanalysatoren før / etter testen.
  3. Følg FTIR-oppstartsprosedyren beskrevet i produsenthåndboken "FTIR and PAS Pro for FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure"24, versjon 3.1.
    MERK: Mens FTIR kjører, holdes gassledningen mellom FTIR og kammeret (se figur 2) ved 180 °C for å forhindre gasskondensering. Vær forsiktig så du ikke berører den oppvarmede ledningen og filter-/ventilenheten.

2. Cell forberedelse

  1. Registrer dato, klokkeslett, SOC, testdeltakere, testnummer, celleprodusent, celleformat og cellemodellnummer i et eksperimentloggark.
  2. Mål og registrer cellens startspenning og masse (med en presisjon på 0,01 g) på eksperimentloggarket.
  3. Fest varmebånd (1 til x 2 tommer, 20 W / i2) til midten av cellen og ta et bilde av cellen med varmebåndet. Forsikre deg om at varmebåndledningene peker mot den negative siden av cellen (se figur 3).
  4. Fest tre termoelementer (K-type med en sondediameter på 0,02 tommer, lengde på 12 tommer) til celleoverflaten ved hjelp av høytemperaturbestandig tape, en nær den positive terminalen, en i midten og en nederst nær den negative terminalen på cellen, alle plassert 5 mm fra kanten av varmebåndet (se figur 3A). Bruk termoelementet i nærheten av den positive terminalen for å kontrollere oppvarmingshastigheten gjennom PID. Etter å ha installert termoelementene, ta et bilde av cellen med en linjal for å bekrefte avstanden fra varmebåndet.
  5. Punktsveis nikkelfliker (0,1 mm i tykkelse, 5 mm i bredde og 100 mm i lengde) til de positive og negative terminalene i cellen for cellespenningsmåling. Forsikre deg om at nikkeltappene er orientert i forskjellige retninger for å forhindre at de berører hverandre, noe som resulterer i en ekstern kortslutning (figur 3B).
  6. Legg inn cellen på celleholderen, som vist i figur 3C.
  7. Bekreft at alle ledninger til spenningsmåling og termoelementene er rutet mot den negative terminalen til cellen for å unngå ventilasjonsportene på cellens positive terminal.

3. Oppsett av testkammer

  1. Slå på LED-lampen (lysdiode) i kammeret.
  2. Plasser cellen og celleholderen på massebalansen i kammeret (se figur 4). Koble termoelementkontaktene, varmetapen og nikkelflikene til kammergjennomføringsplugger og ledninger.
  3. Slå på massebalansen. Tare balansen.
  4. Slå på strømforsyningen til hydrogensensoren.
  5. Slå på PID-kontrolleren for varmebåndet. Sett opp varmeprofilen (temperatur: 200 °C; rampetid: 17 min). Koble kablene til PID-kontrolleren, datainnsamlingen og massebalansen til en bærbar datamaskin og start datainnsamlingsprogrammet på den bærbare datamaskinen.
  6. Forsikre deg om at alle sensoravlesningene som vises i datainnsamlingsprogrammet er rimelige: cellespenning nær verdien målt i trinn 2.2, spenning og strøminngang til varmebåndet nær null (siden strømmen ikke er på ennå), termoelementavlesninger nær romtemperatur (~ 25 ° C), kammertrykk ~ 1 atm og masseavlesning ~ 0 g. Etter å ha sjekket målingene, slå av datainnsamlingsprogrammet.
  7. Juster innstillingene for videokameraet foran og på siden: manuell hvitbalanse (kalibrert innledningsvis ved hjelp av et hvitt papir), manuell fokus (festet på celleoverflaten nær den positive terminalen), automatisk eksponering, automatisk IRIS og automatisk lukkerhastighet. Kontroller at videokamerabatteriet er fullt.
  8. Plasser frontkameraet på et stativ utenfor kammeret (se figur 4). Start opptaket på sidekameraet og plasser det i en beskyttelsesboks i kammeret. Sjekk vinkelen og visningen på sidekameraet. Lås beskyttelsesboksen.
  9. Dobbeltsjekk om det er farlige eller unødvendige gjenstander inne i kammeret, og om noen av trinnene ovenfor er hoppet over.
  10. Lukk kammeret og sørg for at alle skruene på dekselplatene er godt festet (f.eks. ved hjelp av en slagnøkkel).
  11. Bruk vakuum- eller membranpumpen til å utføre en lekkasjekontroll. Dobbeltsjekk at alle ventiler, dekkplater og observasjonsvinduer er ordentlig festet.
    MERK: Hvis trykket synker sakte eller ikke faller, er det lekkasjer et sted.
  12. Endre FTIR-inntaket fra omgivelsesluft til kammeret.
  13. Koble FTIR-returlinjen til kammeret (se figur 2).

4. Termisk runaway og branneksperiment

  1. Sett PID-kontrolleren i rampe-bløtleggingsmodus.
  2. Slå av lyset i rommet og LED-lyset i kammeret.
  3. Start videokameraopptaket foran. Bruk kameraet til å registrere handlingene i trinn 4.4 og 4.5 for tidssynkronisering av alle innsamlede data (sensordata, FTIR-avlesninger og videoer) etter eksperimentene.
  4. Start dataopptaket i datainnsamlingsprogrammet på den bærbare datamaskinen.
  5. Start PID-rampe-bløtleggingsmodus på 10 s på datainnsamlingsprogramtimeren. Slå på kammerets LED-lys. Start FTIR-opptaket.
  6. Plasser videokameraet foran på stativet, og fortsett innspillingen av eksperimentet.
  7. Flytt til et annet rom og fortsett å overvåke datainnsamlingspanelet på den bærbare datamaskinen gjennom et fjernstyrt skrivebordsprogram. Vær oppmerksom på at dette trinnet er tatt for ekstra forholdsregler og ikke er nødvendig. Siden forsøkene er helt begrenset i miljøkammeret, er risikoen for det omkringliggende personellet minimal.
  8. Hvis det finnes i samme rom som kammeret, bruk egnet personlig verneutstyr (PPE) under hele testperioden (f.eks. hansker, P100-åndedrettsvern, vernebriller og brannsikker laboratoriefrakk).

5. Avslutning av forsøket

  1. Når termisk rømning oppstår (dvs. termoelementavlesninger viser plutselige topper) eller etter at PID-kontrolleren har opprettholdt celletemperaturen på 200 °C i 60 minutter (avhengig av hva som inntreffer først), slår du av strømmen til varmebåndet og setter PID-kontrolleren i standby-modus.
  2. Vent til alle termoelementavlesningene synker til romtemperatur (<50 °C). Merk at kjøleprosessen for en enkelt celle kan ta omtrent 30 minutter.
  3. Stopp datainnsamlingsprogrammet på den bærbare datamaskinen, FTIR-måling og videoopptak.

6. Slå av FTIR-gassanalysatoren

  1. Følg FTIR-avstengningsprosedyren som er dokumentert i produsenthåndboken "FTIR and PAS Pro for the FTT Smoke Density Chamber Standard Operating Procedure", versjon 3.1.
  2. Rens FTIR-gassanalysatoren med nitrogen for å rengjøre røret og analysatoren i ~15 minutter. Kontroller at strømningshastigheten på N2 til FTIR gassanalysator er 150-250 cc/min.
  3. Mens du renser gassanalysatoren, overfører du FTIR-resultatene til en USB-minnepinne.
  4. Etter rensing, slå av gassanalysatoren.
  5. Bruk egnet PPE, inkludert et par varmeisolerende hansker, og fjern filteret i det oppvarmede filteret / ventilenheten. Vær ekstremt forsiktig, da filteret/ventilenheten kan være veldig varm.
  6. Rengjør det fjernede filteret med et ultralydbad av en rengjøringsløsning.

7. Kammeropprydding og datainnsamling

  1. Før støvsuging av kammeret må du kontrollere om FTIR-prøvetakingslinjen (som er koblet til kammeret) er lukket eller åpen for omgivelsesluften. For gassanalysatormodellen som presenteres i denne studien, velg Ambient Air på PAS Pro-programvaren eller slå av FTIR helt. Unnlatelse av å gjøre dette forårsaker skade på FTIR.
  2. Forsikre deg om at det er installert et kullfilter mellom den kjemikaliebestandige membranpumpen (pumpe 1 i figur 2) og kammeret. Merk antall bruksområder på filteret og erstatt det med en ny hver ~ 10-15 tester.
  3. Åpne ventil 1 for å forberede deg på delvis støvsuging av kammeret ved hjelp av den kjemikaliebestandige membranpumpen.
  4. Kjør membranpumpen til kammertrykket synker til P1 = 9,7 psia (dvs. -5 gauge trykk).
  5. Slå av membranpumpen og lukk ventil 1.
  6. Åpne ventil 3 (se figur 4) for å fylle kammeret med omgivelsesluft.
  7. Lukk ventil 3 når kammertrykket gjenopprettes til omgivelsestrykket, P∞.
  8. Gjenta den delvise støvsugingsprosedyren (trinn 7.3-7.7) fem ganger. Gjennom dette skal eksosgassprosenten i kammeret falle til (P 1 / P ∞) 5 = 12, 5%.
  9. Åpne ventil 2 for å forberede deg på fullstendig støvsuging av kammeret ved hjelp av vakuumpumpen (pumpe 2 i figur 2).
  10. Kjør vakuumpumpen til kammertrykket synker til P2 = 4,7 psia (eller -10 psia målertrykk).
  11. Slå av pumpen og lukk ventil 2.
  12. Åpne ventil 3 for å fylle kammeret med omgivelsesluft til kammertrykket gjenopprettes til omgivelsestrykket, P∞.
  13. Gjenta hele støvsugingsprosedyren (trinn 7.9-7.12) to ganger.
    MERKNAD: Etter delvise og fullstendige støvsugingsprosedyrer, bør eksosgassprosenten i kammeret være lavere enn 1,3%.
  14. Åpne kammeret og hent videokameraet og cellen.
  15. Slå av massebalansen.
  16. Bruk et vått papirhåndkle til å rengjøre det indre av kammeret (f.eks. fjern alt rusk og tørk av kammerets indre vegger).
  17. Ta bilder før, under og etter at cellen er tatt av celleholderen.
  18. Vei cellen og registrer cellens posttestmasse.
  19. Hent alle innspilte data (termoelementavlesninger, cellespenning, varmebåndspenning, strøm, kammertrykk og cellemassemåling) fra den bærbare datamaskinen og videoopptakene fra de to videokameraene.
  20. Kombiner de innsamlede videoene ved hjelp av en videoredigeringsprogramvare. Registrer starttidspunktet for de store hendelsene, for eksempel celleventilering, termisk rømning og brann. Lagre den kombinerte videoen i ønsket format (f.eks. mp4 eller avi).
  21. Etterbehandle de innsamlede dataene og generer plott for å visualisere tidsutviklingen til alle målinger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Videoer som representerer typiske termiske rømningsprosesser med og uten brann, er inkludert i henholdsvis tilleggsfil 1 og tilleggsfil 2. Sentrale hendelser er vist i figur 5. Når celletemperaturen heves (til ~ 110-130 ° C), begynner cellen hevelse, noe som indikerer oppbygging av det indre trykket (forårsaket av fordampning av elektrolytter og termisk ekspansjon av gasser inne i cellen2). Dette etterfølges av åpningen av ventilasjonsporten og frigjøring av ventilasjonsgassen (henholdsvis figur 5A og 5B). Den gradvise ventilasjonsprosessen fortsetter i noen minutter. Etter det begynner cellen å ventilere kraftig (figur 5C), og en termisk rømning oppstår (figur 5D). Disse skjer uavhengig av SOC. Ved høyere SOC (f.eks. 75 % og 100 %), observeres også gnister (figur 5D), brann (figur 5E) og celleinnholdsutdrivning (se posttestbilder i figur 5F,G) under og etter termisk rømning. Ved lavere SOC-er (f.eks. 30 % og 50 %) observeres utbrudd av elektrolytter med kraftig røyk uten gnister eller branner. Merk at, avhengig av fenomenene av interesse, må kamera-/videokamerainnstillingene og LED-bakgrunnslyset velges nøye. I figur 5A er videokameraet fokusert på ventilasjonsporten, og det lyse hvite bakgrunnslyset er valgt for å fange elektrolyttkokefenomenet ved begynnelsen av ventilasjonsprosessen. Hvis interessen er i gassformig brann, anbefales automatisk justerte videokamerainnstillinger, et dimmergrønt LED-lys og en mørk bakgrunn.

Representative målinger er plottet i figur 6, med viktige hendelser markert med vertikale streklinjer. Disse plottene er for en test der brann oppstår (ved 75% SOC, vist i tilleggsfil 1). Figur 6A viser at celletemperaturen er høyere på midtlokasjonen enn på de øverste (nær den positive terminalen) og bunnen (nær den negative terminalen) stedene. Avlesningen av termoelementet øverst (som brukes til PID-kontrollen) bekrefter at celleoppvarmingshastigheten er ved den tiltenkte verdien (dvs. ~10 °C/min eller 0,167 °C/s). Merk at temperaturavlesningene viser en kortvarig dukkert ved starten av celleventilering (hendelse 3). Dette skyldes det plutselige varmetapet på grunn av utslipp av gasser gjennom ventilen. Når termisk rømning oppstår, viser celletemperaturen en plutselig spike. Etter den termiske rømlingen, spesielt for tilfeller der brann og celleinnhold utvises, kan termoelementene løsne fra celleoverflaten og dermed lese gasstemperaturene i stedet for batteriets overflatetemperaturer. Spesiell forsiktighet må utvises ved tolkning av dataene. Videre bør det tas særlig hensyn til å bekrefte at termoelementene ikke løsner under testen.

Cellespenningen faller også til null (hendelse 2) før termisk rømning oppstår (minutter før cellen begynner å ventilere i det representative tilfellet vist i figur 6A). Det er kjent at dekomponeringen av fast-elektrolytt-interfase (SEI) laget starter ved ~ 80-120 ° C og separatoren begynner å smelte ved 135-166 ° C2. Nedbrytningen av disse komponentene fører til en intern kortslutning (ISC) mellom de to elektrodene, ledsaget av elektrolyttnedbrytning, og til slutt den termiske rømningen av en LIB-celle. Cellespenningsfallet er det første signalet om LIB-feilhendelsen. Avhengig av cellens kjemi, format og utforming, kan hver feilhendelse (f.eks. spenningsfall, ventilasjon, termisk rømning) forekomme på forskjellige tidspunkter og ved forskjellige celletemperaturer.

Massetapshastigheten kan utledes fra massetapsdataene som er oppnådd i testprosedyren. Massetapet (vist i figur 6B) indikerer to forskjellige gassutslippsperioder, en under celleventilering og den andre under termisk løping. Massetapet i ventilasjonsperioden er likt (~3-4 g) i det hele tatt betraktet som SOC, mens massetapet ved termisk rømning øker med SOC. Massetapet ved termisk rømning står ikke bare for den ventilerte gassen, men også for det utkastede celleinnholdet og komponentene som brenner bort.

Konsentrasjonene av viktige hydrokarboner og giftige gassarter er vist i figur 6C-E. Ulike sammensetninger observeres i ventilasjonsperioden og termisk runaway. Når ventilasjonsgassen sprer seg over kammeret etter brannslukking, konvergerer konsentrasjonen av hver art til en stabil verdi.

Den registrerte strømmen (I) og spenningen (V) som tilføres varmebåndet (vist i figur 7A) kan brukes til å beregne strøminngangen til cellen. Kumulert energiinngang og varmeeffekt beregnes som følger:

Equation 1 (1)

Equation 2 (2)

I den representative testen kan den kumulative energikurven (E i Eq. 1; solid svart linje i figur 7B) passe av andreordens polynomregresjonslinje (heltrukken blå linje i figur 7B). Ved hjelp av denne regresjonslinjen finner man at strøminngangen (dE/dt i Eq. 2) til cellen øker lineært med tiden (blå streklinje i figur 7B).

Figure 1
Figur 1 Eksperimentelle apparater og skjemaer. (A) Det eksperimentelle apparatet for LIB termiske runaway eksperimenter. (B) Skjemaene for oppsettet inne i kammeret. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Skjematisk av strømningssystemet for apparatet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Utarbeidelsen av en 18650-celle . (A) Trinn 2.4. (B) Trinn 2.5. (C) Trinn 2.6. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Installasjonen av LIB-cellen inne i kammeret med datainnsamling. (A) Trinn 3.2. (B) Trinn 3.5. (VG Nett) Trinn 3.8. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Viktige hendelser under en typisk termisk rømningsprosess. (A) Åpning av ventilasjonsporten og koking av elektrolytten. (B) Gradvis frigjøring av ventilasjonsgassen. (C) Intens frigjøring av ventilasjonsgassen før termisk avrenning. (D) Utbruddet av den termiske rømlingen. (E) Brann. (VG Nett) Utkastet celleinnhold observert under inspeksjonen etter testen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Representative data oppnådd for en 18650 sylindrisk celle ved 75% SOC. (A) Celletemperatur. (B) Massetap. (VG Nett) Konsentrasjoner av viktige hydrokarboner og giftige gassarter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Representative data for varmebåndets strøminngang. (A) Spenning og strøm som tilføres varmebåndet. (B) Beregnet energi og effekt levert til varmebåndet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfil 1: Video av den termiske rømningsprosessen til 18650-cellen ved 75 % SOC. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfil 2: Video av den termiske rømningsprosessen til 18650-cellen ved 50 % SOC. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De mest kritiske trinnene i protokollen er de som gjelder giftige gasser som slippes ut i LIB-termisk rømning. Lekkasjetesten i trinn 3.11 må utføres nøye for å sikre at de giftige gassene er innesperret i kammeret under forsøkene. Prosedyrene for opprydding av kammergass (trinn 7.1-7.14) må også gjøres riktig for å redusere faren fra giftige gasser. Giftige gasser kan utgjøre bare en liten brøkdel av ventilasjonsgassen under LIB termisk avrenning. Selv svært lave konsentrasjoner av noen giftige gasser utgjør imidlertid en stor trussel mot menneskers helse. Yrkesmessige 8-timers eksponeringsgrenser for akrolein og formaldehyd pålagt av Occupational Safety and Health Administration (OSHA) er henholdsvis 0,1 og 0,75 ppm, som er betydelig lavere enn de målte verdiene ved bruk av 600 L-kammeret (se figur 6E). Dette understreker viktigheten av å ha et forseglet kammer og bruke en passende maske under hele testen. Dette understreker også behovet for å ha en testmetode, som den som presenteres her, for å karakterisere utslipp av giftige gasser for LIB.

Andre kritiske trinn gjelder tidssynkronisering mellom sensormålinger, FTIR-avlesninger og videokameravideoer. I protokolltrinn 4.3-4.5 gir videoopptak og utbruddet av LED-lyset et middel til å synkronisere alle data. Med mindre alternative synkroniseringsmetoder brukes, må disse trinnene følges nøye. Bare med synkroniserte data kan ventilgassartene og brannegenskapene korreleres til celleforholdene (f.eks. temperatur, massetap, spenning) og til forskjellige hendelser i den termiske rømlingen.

Det finnes begrensninger for den presenterte testmetoden. For det første er det begrenset til termisk rømning forårsaket av eksternt termisk misbruk. Resultatene representerer kanskje ikke den termiske rømningsprosessen forårsaket av andre batterifeilmoduser (f.eks. mekanisk misbruk, intern kortslutning). For det andre måles ikke ventilgassens masseutslippshastighet direkte. I stedet utledes det fra det registrerte massetapet av cellen. Under ventileringsprosessen før termisk runaway kan cellemassetapshastigheten tolkes som massefrigjøringshastigheten til ventilasjonsgassen. Under termisk rømning står imidlertid cellemassetapet ikke bare for den ventilerte gassen, men også for det utkastede celleinnholdet og komponentene som brenner bort. I tillegg karakteriserer ikke denne testmetoden trykkstigning i kammeret under og etter LIB termisk rullebane. På den annen side er kammermålertrykket begrenset av en trykkavlastningsventil av sikkerhetshensyn (se figur 2)

Den presenterte eksperimentelle metoden gir et rammeverk for å karakterisere termisk rømning og brann av litiumionbatterier gjennom in situ-måling av forskjellige parametere i en enkelt test. De detaljerte tidsløste dataene gir også empiriske parametere for utvikling av numeriske modeller. For eksempel kan ventilgassmassefrigjøringshastigheten utledet fra cellemasseavlesningen og FTIR-gassartsavlesningene implementeres i en CFD-modell (Computational Fluid Dynamics) som grensebetingelser. Dette fjerner behovet for å simulere cellens elektrokjemi og gjør det mulig å gjøre færre antagelser, noe som resulterer i en mer generell, numerisk kostnadseffektiv og presis modell for batteribranner.

Mens bare testprosedyren for en sylindrisk celle presenteres i den nåværende studien, kan denne prosedyren brukes på celler av forskjellige formater (f.eks. pose eller prismatisk) og kan lett utvides for å teste termisk løpsk forplantning mellom flere celler i et batteri. Det er også verdt å merke seg at gasskonsentrasjonene oppnådd under den termiske rømningsprosessen ikke bare inkluderer ventilasjonsgassen, men også forbrenningsproduktene under batteribrannen. Hvis interessen er på ventilgassen som genereres før og under den termiske rømningen, bør et inert kammermiljø (f.eks. argon eller nitrogen) vurderes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter å opplyse.

Acknowledgments

Denne studien støttes av UL Research Institutes. Alle battericeller i dette arbeidet ble kondisjonert og utarbeidet i professor Chris Yuans laboratorium ved Case Western Reserve University (CWRU). Testkammeret er utlånt til CWRU fra NASA Glenn Research Center. Vi fikk enorm støtte på FTIR gassanalysator fra en tidligere doktorgradsstudent, Dr. Yumi Matsuyama ved CWRU, og teknisk støtte på H 2-sensoren fra Jeff Tucker, Brandon Wicks og Brian Engle fra Amphenol Advanced Sensors. Vi setter stor pris på støtten fra Pushkal Kannan og Boyu Wang på CWRU. Vi vil også anerkjenne de tekniske diskusjonene med Alexandra Schraiber fra UL Solutions.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Balance A&D EJ-6100
Carbon filter Whatman WHA67041500
Current transducer NK Technologies AT1-010-000-FT
Front camera Sony FDR-AX53
FTIR gas analyzer Fire Testing Technology Protea atmosFIR AFS-A-15
Heating tape (1.00" x 2.00") Birk Manufacturing, Inc. BK3512-19.6-L24-03
High-temperature resistant tape Kapton
Hydrogen sensor Amphenol AX220135
K-type, thermocouple Omega KMQSS-020U-12
LabVIEW National Instruments
Matlab MathWorks
NI-9213 National Instruments NI-9213
NI-9219 National Instruments NI-9219
NI-cDAQ-9174 National Instruments NI-cDAQ-9174
NI-USB-6009 National Instruments NI-USB-6009
PID controller Omega CN8200
PILOT5000 Chemical Resistant Diaphragm Vacuum Pump The Lab Depot TLD5000
Pressure relief valve Straval RVL20-10T-N4675
Pressure Transmitter Keller 0308.01601.081303.02
Pure Nickel Strip (0.1x5x100mm 99.6% Nickel) U.S. Solid Product
Respirator McMaster 55865T52
Respirator Cartridge Honeywell  75Scp100L
Rotary vane vacuum pump (0.5 hp) Alcatel Pascal 2010
Side camera Sony HDR-CX110
Spot Welder SUNKKO 737G+
TeamViewer TeamViewer
Voltage transducer CR Magnetics Inc. CR4510-50

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Tilbaketrekking utgave 193
<em>In situ</em> Gassanalyse og brannkarakterisering av litiumionceller under termisk rømning ved bruk av et miljøkammer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kwon, B., Cui, W., Sharma, A., Liao, … More

Kwon, B., Cui, W., Sharma, A., Liao, Y. T., Takahashi, F., Juarez-Robles, D., Parhizi, M., Jeevarajan, J. In Situ Gas Analysis and Fire Characterization of Lithium-Ion Cells During Thermal Runaway Using an Environmental Chamber. J. Vis. Exp. (193), e65051, doi:10.3791/65051 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter