Pil Güvenliği Tehlikelerini Karakterize Etmek için Hızlandırma Hızı Kalorimetrisi ve Tamamlayıcı Teknikler

Özet

Lityum pillerin potansiyel arıza tehlikelerini karakterize etmek için bir yöntem, hızlanan hız kalorimetrisi ile elde edilir. Isı ve basınç tahliyesi, arıza olayının görsel olarak gözlemlenmesi ve evrimleşmiş gazların yakalanması, arızaya alınan pillerin en kötü güvenilir tehditlerini belirlemek için bu deneyde toplanır.

Özet

Lityum bazlı pil kimyalarıyla ilişkili tehlikeler, yıkıcı doğaları nedeniyle iyi belgelenmiştir. Risk tipik olarak bir mühendislik risk matrisi aracılığıyla nitel olarak değerlendirilir. Matris içinde, karar vericilere ve paydaşlara durumsal farkındalık sağlamak için potansiyel olarak tehlikeli olaylar ciddiyet ve olasılık açısından kategorize edilir ve sıralanır. Pil arızalarının, özellikle lityum iyon kimyasının stokastik doğası, bir matrisin olasılık ekseninin düzgün bir şekilde değerlendirilmesini zorlaştırır. Neyse ki, pil arızasının ciddiyet derecelerini karakterize eden hızlandırılmış hız kalorimetrisi (ARC) gibi karakterizasyon araçları mevcuttur. ARC, reaktif kimyasalları karakterize etmek için yaygın olarak kullanılmıştır, ancak güvenli, kontrollü deneysel koşullar altında pil arızalarını indüklemek ve kritik güvenlik parametrelerini ölçmek için yeni bir uygulama sağlayabilir. Genişletilmiş hacimli kalorimetrenin sağlam doğası nedeniyle, hücreler çeşitli suistimaller nedeniyle güvenli bir şekilde arızaya götürülebilir: termal (hücrenin basit ısınması), elektrokimyasal (aşırı şarj), elektriksel (harici kısa devre) veya fiziksel (ezilme veya çivi penetrasyonu). Bu makale, değerli güvenlik verilerini toplamak için bir ARC'deki arıza için ticari bir lityum iyon pil hücresinin hazırlanması ve izlenmesine yönelik prosedürleri açıklamaktadır: termal kaçak başlangıcı, polimer ayırıcı erimesi ile ilişkili endoterm, termal kaçak sırasında basınç tahliyesi, analitik karakterizasyon için gaz toplama, tam reaksiyonun maksimum sıcaklığı ve yüksek sıcaklıkta bir boroskop kullanarak ayrışma işlemlerinin görsel olarak gözlemlenmesi (havalandırma ve hücre kırılabilir). Pilin kademeli olarak bir ayar noktasına ısıtıldığı hücre arızasını indüklemek için bir termal "ısı-bekleme-arama" yöntemi kullanılır, ardından cihaz pilden gelen ısı üretimini tanımlar. Isı, pilde bir sıcaklık artışı oluşturduğundan, kalorimetre sıcaklığı bu sıcaklık artışını takip ederek adyabatik bir durumu korur. Bu nedenle, hücre dış ortamla ısı alışverişi yapmaz, bu nedenle arıza altındaki pilden kaynaklanan tüm ısı üretimi yakalanır.

Giriş

Şarj edilebilir piller, özellikle lityum iyon kimyası, ulaşım, iletişim ve eğlence gibi günlük yaşamın tüm yönlerini kapsayan tamamen elektrikli bir toplumun işleyişine izin verdi. Bu enerji depolama uygulamaları için şarj kapasitesi, menzile veya çalışma süresine eşittir. Bu parametrelerin en üst düzeye çıkarılması, agresif şekilde yüksek enerjili lityum iyon hücrelere yol açar. Ne yazık ki, lityum iyon hücrelerde elektrik enerjisi arttıkça, bir arıza meydana geldiğinde zararlı enerji açığa çıkar¹. Bir dizi düzenleyici kurum, profesyonel topluluk ve bağımsız laboratuvar, şarj edilebilir pillerin güvenliğini da....

Protokol

1. Kalorimetre kalibrasyonu

NOT: Kalorimetreyi, aynı hücreye/hücreden ısı transfer koşullarındaki herhangi bir değişikliğe (örneğin, büyük çaplı elektrik kablolarının hücreye bağlanması) veya ana ölçüm termokuplunun değiştirilmesine uyum sağlayacak şekilde kalibre etmek önemlidir. Uzun süreli kullanımda termokupl tepkileri değişebileceğinden, cihaz 2-3 aylık bir süre sonra yeniden kalibre edilmelidir.

1. Kalorimetrenin kalibrasyonu için küçük bir küresel kap veya "bomba" kullanın.
2. Kalorimetre kapağının alt tarafına bilinen malzemeden (yani titanyum, paslanmaz çelik, alüminyum vb.) oluşan boş bir küresel bomba takın.
....

Sonuçlar

Tam şarjlı bir 18650 ticari lityum iyon pil hücresinin HWS deneyinden elde edilen temsili veriler Şekil 4A,B'de verilmiştir. Şekil, "kapalı" bir ARC testi kurulumu sırasında zamanın bir fonksiyonu olarak hücre sıcaklığını göstermektedir. Temel termal özellikler (T_başlangıç, T_maks ve ΔT) şekilde vurgulanmıştır. T_{başlangıcının} yeri, T_max'a ulaşılana kadar devam eden ekzotermik adımın başlangıcıdır. Bu deney sırasında maksimum basınç .......

Tartışma

ARC cihazıyla gerçekleştirilen HWS test prosedürü, bir lityum iyon pilin oluşturduğu en kötü güvenilir güvenlik tehdidini belirlemek için kritik öneme sahiptir. Kendi kendine ısınma başlangıç sıcaklığı ve termal kaçak sırasındaki maksimum sıcaklık ölçümleri, lityum iyon hücrelerin güvenliğini doğru bir şekilde değerlendirmek için gerekli objektif verileri sağlar. ARC tabanlı deneylerin kullanılmasıyla, pil güvenliği ölçümleri kontrollü ve tekrarlanabilir bir şekilde ölçülebilir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
borescope	Optronics		Sert, yüksek sıcaklık boroskopu
Enerji Laboratuvarı Potansiyostatı	Princeton Uygulamalı Araştırma / Açık	devre gerilimi, galvanostik/potansiyostatik pil çevrimi ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi toplayabilen Ametek
Genişletilmiş Hacim İvme Hızı Kalorimetresi	Termal Tehlike Teknolojileri		Orta büyüklükte sistem, numune aralığı: bileşenlerden pillere. Çalışma hacmi: 0,57 m3
yüksek sıcaklık bandı	spesifik
lityum-iyon pil hücresi	18650 form faktöründe grafit lityum-iyon hücreye karşı	çeşitli
mat ısıtıcı	Omega		form faktörü ve boyutu, ısı kapasitesi ölçümleri için pil hücresine bağlıdır
küresel bomba	Termal Tehlike Teknolojileri		ARC kalibrasyonu için küçük hacimli bomba

potansiyostatolmayan şarj edilebilir karışık metal oksit