JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

هنا ، نصف إجراء اختبار تم تطويره لتوصيف الهروب الحراري والحرائق في خلايا الليثيوم أيون من خلال القياسات في الموقع لمعلمات مختلفة في غرفة بيئية.

Abstract

تم تطوير جهاز تجريبي وإجراءات تشغيل قياسية (SOP) لجمع البيانات التي تم حلها بمرور الوقت حول تركيبات الغاز وخصائص الحريق أثناء وبعد الهروب الحراري لخلايا بطارية ليثيوم أيون (LIB). يتم تكييف خلية أسطوانية 18650 بحالة الشحن المطلوبة (SOC ؛ 30٪ ، 50٪ ، 75٪ ، و 100٪) قبل كل تجربة. يتم دفع الخلية المكيفة إلى الهروب الحراري بواسطة شريط تسخين كهربائي بمعدل تسخين ثابت (10 °C / min) في غرفة بيئية (الحجم: ~ 600 لتر). الغرفة متصلة بمحلل غاز فورييه لتحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR) لقياسات التركيز في الوقت الفعلي. يتم استخدام اثنين من كاميرات الفيديو لتسجيل الأحداث الكبرى ، مثل تنفيس الخلية ، والهروب الحراري ، وعملية الحرق اللاحقة. يتم أيضا تسجيل ظروف الخلية ، مثل درجة حرارة السطح وفقدان الكتلة والجهد. من خلال البيانات التي تم الحصول عليها ، يمكن استنتاج الخصائص الزائفة للخلية ، وتركيبات تنفيس الغاز ، ومعدل كتلة التنفيس كوظائف لدرجة حرارة الخلية و SOC للخلية. بينما تم تطوير إجراء الاختبار لخلية أسطوانية واحدة ، يمكن توسيعه بسهولة لاختبار تنسيقات الخلايا المختلفة ودراسة انتشار الحريق بين خلايا متعددة. يمكن أيضا استخدام البيانات التجريبية التي تم جمعها لتطوير نماذج عددية لحرائق LIB.

Introduction

في العقود القليلة الماضية ، اكتسبت بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) شعبية واستفادت من التطورات التكنولوجية الهائلة. نظرا للمزايا المختلفة (على سبيل المثال ، كثافة الطاقة العالية ، والصيانة المنخفضة ، وأوقات التفريغ الذاتي والشحن المنخفضة ، والعمر الطويل) ، فقد تم اعتبار LIB تقنية واعدة لتخزين الطاقة وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات مختلفة ، مثل أنظمة تخزين الطاقة الكبيرة (ESSs) والمركبات الكهربائية (EVs) والأجهزة الإلكترونية المحمولة. في حين أنه من المتوقع أن يتضاعف الطلب العالمي على خلايا LIB من 725 جيجاوات ساعة في عام 2020 إلى 1500 جيجاوات ساعة في عام 20301 ، كانت هناك زيادة كبيرة في الحرائق والانفجارات المتعلقة ب LIBs في السنوات الأخيرة2. تظهر هذه الحوادث المخاطر العالية المرتبطة ب LIBs ، مما يثير مخاوف بشأن استخدامها على نطاق واسع. للتخفيف من هذه المخاوف ، من الأهمية بمكان الحصول على فهم شامل لعملية الهروب الحراري LIB التي تؤدي إلى الحرائق.

كشفت الحوادث السابقة أن خلايا LIB تفشل عندما تتعطل الكيمياء الكهربائية للخلية بسبب ارتفاع درجة الحرارة في ظروف التشغيل غير الطبيعية (مثل ماس كهربائى خارجي ، والتفريغ السريع ، والشحن الزائد ، والأضرار المادية) أو بسبب عيوب التصنيع وسوء التصميم2،3،4. تؤدي هذه الأحداث إلى تحلل واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI) ، مما يحفز التفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة بين مواد القطب والكهارل. عندما تتجاوز الحرارة الناتجة في هذه التفاعلات تلك التي يتم تبديدها ، فإنها تؤدي إلى تسخين ذاتي سريع للخلايا ، والمعروف أيضا باسم الهروب الحراري. يمكن أن تستمر درجة الحرارة والضغط الداخليان في الارتفاع حتى يتسبب الضغط المتراكم في تمزق البطارية وإطلاق غازات سامة قابلة للاشتعال بسرعة عالية. في تكوين بطارية متعددة الخلايا ، يمكن أن يؤدي الهروب الحراري في خلية واحدة ، إذا لم يتم التحكم فيه ، إلى انتشار حراري جامح إلى خلايا أخرى وحوادث حريق وانفجار على مستويات كارثية ، خاصة في الأماكن المغلقة ذات التهوية المحدودة. وهذا يشكل تهديدات كبيرة لسلامة الإنسان وهياكله.

في العقود القليلة الماضية ، تم إجراء عدد من الدراسات للتحقيق في التفاعلات الحرارية الهاربة ل LIBs مما يؤدي إلى احتراق الشوارد العضوية داخل البطارية وإطلاق الغازات القابلة للاشتعال في ظل ظروف تسخين مختلفة2،5،6،7،8،9،10،11،12. على سبيل المثال ، أظهر Jhu et al.10 الطبيعة الخطرة ل LIBs الأسطوانية المشحونة مقارنة بتلك غير المشحونة باستخدام مسعر ثابت الحرارة. ركزت العديد من الدراسات الأخرى على السلوك الحراري الجامح ل LIBs في حالات الشحن المختلفة (SOCs). على سبيل المثال ، قام Joshi et al.13 بالتحقيق في الهروب الحراري لأنواع مختلفة من LIBs التجارية (أسطوانية وحقيبة) في SOCs مختلفة. وقد لوحظ أن الخلايا في SOCs الأعلى لديها فرصة أكبر للخضوع للهروب الحراري مقارنة بتلك الموجودة في SOCs المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، يختلف الحد الأدنى من SOC لحدوث الهروب الحراري باختلاف تنسيقات الخلايا والكيميائيات. اختبر Roth et al.11 LIBs الأسطوانية في مسعر معدل متسارع (ARC) ولاحظ أنه مع زيادة SOC ، انخفضت درجة حرارة بداية الهروب الحراري وزاد معدل التسارع. طور Golubkov et al.12 حامل اختبار مصمم خصيصا وأظهر أن درجة حرارة السطح القصوى ل LIBs الأسطوانية يمكن أن تصل إلى 850 درجة مئوية. استخدم Ribière et al.14 جهاز انتشار الحريق للتحقيق في المخاطر الناجمة عن الحريق ل LIBs الحقيبة ولاحظ أن معدل إطلاق الحرارة (HRR) وإنتاج الغازات السامة يختلف اختلافا كبيرا مع الخلية SOC. درس Chen et al.15 سلوكيات الحريق لاثنين مختلفين من 18650 LIBs (LiCoO2 و LiFePO4) في SOCs مختلفة ، باستخدام مسعر حراري مخصص في الموقع. تم العثور على HRR ، وفقدان الكتلة ، ودرجة حرارة السطح القصوى لزيادة مع SOC. وقد ثبت أيضا أن خطر الانفجار كان أعلى بالنسبة لخلية كاثود أكسيد الكوبالت الليثيوم المشحونة بالكامل (LiCoO 2) 18650 مقارنة بخلية كاثود فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO2) 18650. أجرى Fu et al.16 و Quang et al.17 تجارب إطلاق النار على LIBs (عند 0٪ -100٪ SOCs) باستخدام مسعر مخروطي. وقد لوحظ أن LIBs عند ارتفاع SOC أدت إلى ارتفاع مخاطر الحريق بسبب فترات زمنية أقصر للاشتعال والانفجار ، وارتفاع HRR ، وارتفاع درجة حرارة السطح ، وارتفاع انبعاثات CO وCO 2.

للتلخيص ، قدمت الدراسات السابقة التي تستخدم مسعرات مختلفة18,19 (ARC ، وقياس السعرات الحرارية الكاظمة للحرارة ، وقياس السعرات الحرارية C80 ، وقياس السعرات الحرارية المعدلة للقنابل) بيانات وفيرة عن العمليات الكهروكيميائية والحرارية المرتبطة بالهروب الحراري LIB والحرائق (على سبيل المثال ، HRR ، تركيبات الغازات المنفوخة) واعتمادها على SOC ، وكيمياء البطارية ، وتدفق الحرارة الساقط 2,3 ، 7,20. ومع ذلك ، تم تصميم معظم هذه الطرق في الأصل للمواد القابلة للاحتراق الصلبة التقليدية (مثل عينات السليلوز والبلاستيك) وتوفر معلومات محدودة عند تطبيقها على حرائق LIB. في حين أن بعض الاختبارات السابقة قاست HRR وإجمالي الطاقة المتولدة من التفاعلات الكيميائية ، لم تتم معالجة الجوانب الحركية للحرائق الهاربة بعد الحرارة بشكل كامل.

تعتمد شدة المخاطر أثناء الهروب الحراري بشكل أساسي على طبيعة وتكوين الغازات المنبعثة 2,5. لذلك ، من المهم وصف الغازات المنبعثة ومعدل التنفيس واعتمادها على SOC. قامت بعض الدراسات السابقة بقياس تركيبات غازات التنفيس للهارب الحراري LIB في بيئة خاملة (على سبيل المثال ، في النيتروجين أو الأرجون)12،21،22 ؛ تم استبعاد عنصر الحريق أثناء الهروب الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء هذه القياسات في الغالب بعد التجارب (بدلا من الموقع). ولا تزال التطورات في تكوين غازات الفتحات أثناء الهروب الحراري وبعده ، وخاصة تلك التي تنطوي على حرائق وغازات سامة ، غير مستكشفة بشكل كاف.

من المعروف أن الهروب الحراري يعطل الكيمياء الكهربائية للبطارية ويؤثر على جهد الخلية ودرجة حرارتها. لذلك ، يجب أن يوفر الاختبار الشامل لتوصيف عملية الهروب الحراري ل LIB قياسا متزامنا لدرجة الحرارة والكتلة والجهد والغازات المهواة (المعدل والتكوين). لم يتحقق ذلك في إعداد واحد في الدراسات السابقة. في هذه الدراسة ، تم تطوير جهاز جديد وبروتوكول اختبار لجمع البيانات التي تم حلها زمنيا حول معلومات الخلية ، وتركيبات الغاز ، وخصائص الحريق أثناء وبعد الهروب الحراري لخلايا LIB23. يظهر جهاز الاختبار في الشكل 1 أ. يتم استخدام غرفة بيئية كبيرة (~ 600 لتر) لحصر الحدث الحراري الجامح. تم تجهيز الغرفة بصمام تخفيف الضغط (مع ضغط مقياس محدد عند 0.5 رطل لكل بوصة مربعة) لمنع ارتفاع الضغط في الغرفة. يتم توصيل محلل غاز فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) بالغرفة لأخذ عينات الغاز في الموقع طوال الاختبار. يكتشف 21 نوعا من الغازات (H 2 O ، CO 2 ، CO ، NO ، NO ،2 ، 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 H 6O ، C 3H 4O ، و COF 2). معدل أخذ العينات FTIR هو 0.25 هرتز. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تثبيت مستشعر هيدروجين مستقل داخل الغرفة بالقرب من منفذ أخذ العينات FTIR لتسجيل تركيز H2. يتم تركيب مضختين (مضخة غشاء مقاومة للمواد الكيميائية 1.3 قدم مكعب في الدقيقة ومضخة تفريغ 0.5 حصان) في خط عادم الغرفة. بعد كل تجربة ، يتم اتباع إجراء تنظيف الغرفة لتصفية وضخ غاز الغرفة مباشرة إلى خط عادم المبنى.

في كل تجربة ، يتم إعداد الخلية داخل الغرفة في حامل عينة (الشكل 1 ب). يتم تشغيل الهروب الحراري بواسطة شريط تسخين كهربائي يتم التحكم فيه بالمشتق النسبي (PID) بمعدل تسخين ثابت يبلغ 10 درجات مئوية / دقيقة. يتم تسجيل درجات حرارة سطح الخلية بواسطة المزدوجات الحرارية في ثلاثة مواقع مختلفة على طول الخلية. يتم قياس فقدان كتلة الخلية من خلال توازن الكتلة. يتم مراقبة ضغط الغرفة بواسطة محول الضغط. يتم أيضا تسجيل جهد الخلية ومدخلات الطاقة (الجهد والتيار) إلى شريط التسخين. يتم جمع جميع قراءات أجهزة الاستشعار (المزدوجات الحرارية ، وفقدان الكتلة ، وجهد الخلية ، وتيار شريط التسخين ، والجهد) بواسطة برنامج مخصص للحصول على البيانات بمعدل 2 هرتز. أخيرا ، يتم استخدام كاميرتي فيديو (دقة 1920 بكسل × 1080 بكسل) لتسجيل العملية الكاملة للتجارب من زاويتين مختلفتين.

الهدف من تطوير طريقة الاختبار الجديدة هذه ذو شقين: 1) توصيف سلوكيات الدخان والحريق المرتبطة بالهروب الحراري LIB و 2) توفير بيانات تجريبية تم حلها زمنيا تمكن من تطوير نماذج عددية عالية الصلاحية لحرائق البطاريات. الهدف على المدى الطويل هو تعزيز فهم كيفية انتشار الهروب الحراري بين الخلايا في حزمة البطارية وكيف يتوسع حريق البطارية عند الانتقال من الخلايا المفردة إلى البطاريات متعددة الخلايا. في النهاية ، سيساعد هذا في تحسين الإرشادات والبروتوكولات لتخزين ونقل LIBs بأمان.

Protocol

1. بدء تشغيل محلل الغاز FTIR

ملاحظة: يمكن أن تختلف الإجراءات باختلاف العلامات التجارية ونماذج محلل الغاز FTIR. الإجراء التالي مخصص لمحلل الغاز المحدد المستخدم في هذا العمل.

  1. قم بتركيب مرشح جديد أو مرشح نظيف (أي مرشح تم تنظيفه في حمام بالموجات فوق الصوتية) في وحدة المرشح / الصمام (انظر الشكل 1 والشكل 2).
  2. افتح صمام أسطوانة النيتروجين المتصل بمحلل الغاز (انظر الشكل 2). اضبط معدل تدفق النيتروجين على 150-250 سم مكعب / دقيقة.
    ملاحظة: هذا للتحضير لتطهير N2 أثناء التنظيف قبل / بعد اختبار محلل الغاز.
  3. اتبع إجراء بدء تشغيل FTIR الموضح في دليل الشركة المصنعة ، "FTIR و PAS Pro لإجراء التشغيل القياسي لغرفة كثافة الدخان FTT"24 ، الإصدار 3.1.
    ملاحظة: أثناء تشغيل FTIR ، يتم الحفاظ على خط الغاز بين FTIR والغرفة (انظر الشكل 2) عند 180 درجة مئوية لمنع تكثيف الغاز. احرص على عدم لمس الخط الساخن ووحدة المرشح / الصمام.

2. إعداد الخلية

  1. سجل التاريخ والوقت و SOC والمشاركين في الاختبار ورقم الاختبار والشركة المصنعة للخلية وتنسيق الخلية ورقم نموذج الخلية في ورقة تسجيل التجربة.
  2. قياس وتسجيل الجهد الأولي وكتلة الخلية (بدقة 0.01 جم) في ورقة تسجيل التجربة.
  3. قم بتوصيل شريط تسخين (1 بوصة × 2 بوصة ، 20 واط / بوصة2) بوسط الخلية والتقط صورة للخلية بشريط التسخين. تأكد من أن أسلاك شريط التسخين تشير نحو الجانب السالب من الخلية (انظر الشكل 3).
  4. قم بتوصيل ثلاثة مزدوجات حرارية (من النوع K بقطر مسبار 0.02 بوصة ، بطول 12 بوصة) بسطح الخلية باستخدام شريط مقاوم للحرارة العالية ، واحد بالقرب من الطرف الموجب ، وواحد في المنتصف ، وواحد في الأسفل بالقرب من الطرف السالب للخلية ، وكلها تقع على بعد 5 مم من حافة شريط التسخين (انظر الشكل 3 أ). استخدم المزدوجة الحرارية بالقرب من الطرف الموجب للتحكم في معدل التسخين من خلال PID. بعد تثبيت المزدوجات الحرارية ، التقط صورة للخلية بمسطرة لتأكيد المسافة من شريط التسخين.
  5. علامات تبويب النيكل لحام البقعة (سمك 0.1 مم وعرض 5 مم وطول 100 مم) إلى الأطراف الموجبة والسالبة للخلية لقياس جهد الخلية. تأكد من توجيه ألسنة النيكل في اتجاهات مختلفة لمنعها من ملامسة بعضها البعض ، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي خارجي (الشكل 3 ب).
  6. قم بتحميل الخلية على حامل الخلية ، كما هو موضح في الشكل 3C.
  7. تأكد من توجيه جميع أسلاك قياس الجهد والمزدوجات الحرارية نحو الطرف السالب للخلية لتجنب منافذ التهوية على الطرف الموجب للخلية.

3. إعداد غرفة الاختبار

  1. قم بتشغيل ضوء الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) في الغرفة.
  2. ضع الخلية وحامل الخلية على توازن الكتلة في الغرفة (انظر الشكل 4). قم بتوصيل الموصلات الحرارية وشريط التسخين وعلامات تبويب النيكل بمقابس وأسلاك تغذية الغرفة.
  3. قم بتشغيل توازن الكتلة. الفارغة التوازن.
  4. قم بتشغيل مصدر الطاقة لمستشعر الهيدروجين.
  5. قم بتشغيل وحدة تحكم PID لشريط التسخين. قم بإعداد ملف تعريف التسخين (درجة الحرارة: 200 درجة مئوية ؛ وقت المنحدر: 17 دقيقة). قم بتوصيل الكابلات الخاصة بوحدة تحكم PID والحصول على البيانات وتوازن الكتلة بجهاز كمبيوتر محمول وابدأ برنامج الحصول على البيانات على الكمبيوتر المحمول.
  6. تأكد من أن جميع قراءات المستشعر الموضحة في برنامج الحصول على البيانات معقولة: جهد الخلية قريب من القيمة المقاسة في الخطوة 2.2 ، والجهد وإدخال التيار إلى شريط التسخين بالقرب من الصفر (نظرا لأن الطاقة لم تعمل بعد) ، وقراءات حرارية قريبة من درجة حرارة الغرفة (~ 25 °C) ، وضغط الغرفة ~ 1 ضغط جوي ، وقراءة الكتلة ~ 0 جم. بعد التحقق من القياسات ، قم بإيقاف تشغيل برنامج الحصول على البيانات.
  7. اضبط إعدادات كاميرا الفيديو الأمامية والجانبية: توازن اللون الأبيض اليدوي (تمت معايرته مبدئيا باستخدام ورق أبيض)، والتركيز البؤري اليدوي (مثبت على سطح الخلية بالقرب من الطرف الموجب)، والتعرض التلقائي، وIRIS التلقائي، وسرعة الغالق التلقائي. تأكد من امتلاء بطارية كاميرا الفيديو.
  8. ضع كاميرا الفيديو الأمامية على حامل ثلاثي القوائم خارج الحجرة (انظر الشكل 4). ابدأ التسجيل على كاميرا الفيديو الجانبية وضعها داخل صندوق حماية في الغرفة. تحقق من زاوية كاميرا الفيديو الجانبية والعرض. قفل صندوق الحماية.
  9. تحقق جيدا مما إذا كانت هناك أي مواد خطرة أو غير ضرورية داخل الغرفة وما إذا تم تخطي أي خطوات مذكورة أعلاه.
  10. أغلق الحجرة وتأكد من تثبيت جميع البراغي الموجودة على ألواح الغطاء بإحكام (على سبيل المثال ، باستخدام مفتاح ربط).
  11. استخدم مضخة الفراغ أو الحجاب الحاجز لإجراء فحص التسرب. تحقق جيدا من تثبيت جميع الصمامات وألواح الغطاء ونوافذ المراقبة بإحكام.
    ملاحظة: إذا انخفض الضغط ببطء أو لم ينخفض ، فهناك تسرب في مكان ما.
  12. قم بتغيير مدخل FTIR من الهواء المحيط إلى الغرفة.
  13. قم بتوصيل خط إرجاع FTIR بالغرفة (انظر الشكل 2).

4. تجربة الهروب الحراري والنار

  1. اضبط وحدة تحكم PID على وضع نقع المنحدر.
  2. أطفئ الضوء في الغرفة وضوء LED في الغرفة.
  3. ابدأ تسجيل كاميرا الفيديو الأمامية. استخدم الكاميرا لتسجيل الإجراءات في الخطوتين 4.4 و 4.5 لمزامنة الوقت لجميع البيانات التي تم جمعها (بيانات المستشعر وقراءات FTIR ومقاطع الفيديو) بعد التجارب.
  4. ابدأ تسجيل البيانات في برنامج الحصول على البيانات على الكمبيوتر المحمول.
  5. ابدأ وضع نقع منحدر PID عند 10 ثوان على مؤقت برنامج الحصول على البيانات. قم بتشغيل ضوء LED للغرفة. ابدأ تسجيل FTIR.
  6. ضع كاميرا الفيديو الأمامية على الحامل ثلاثي القوائم واستمر في تسجيل التجربة.
  7. انتقل إلى غرفة مختلفة واستمر في مراقبة لوحة الحصول على البيانات على الكمبيوتر المحمول من خلال برنامج سطح مكتب يتم التحكم فيه عن بعد. لاحظ أن هذه الخطوة مأخوذة لمزيد من الاحتياط وليست مطلوبة. نظرا لأن التجارب محصورة بالكامل في الغرفة البيئية ، فإن الخطر على الأفراد المحيطين يكون ضئيلا.
  8. إذا كنت موجودا في نفس غرفة الغرفة ، فارتد معدات الحماية الشخصية المناسبة (PPE) خلال فترة الاختبار بأكملها (على سبيل المثال ، القفازات ، وجهاز التنفس الصناعي P100 ، ونظارات السلامة ، ومعطف المختبر المقاوم للحريق).

5. إنهاء التجربة

  1. عند حدوث هروب حراري (على سبيل المثال ، تظهر قراءات المزدوجة الحرارية طفرات مفاجئة) أو بعد أن تحافظ وحدة التحكم PID على درجة حرارة الخلية عند 200 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة (أيهما يحدث أولا) ، قم بإيقاف تشغيل الطاقة عن شريط التسخين واضبط وحدة التحكم PID على وضع الاستعداد.
  2. انتظر حتى تنخفض جميع قراءات المزدوجة الحرارية إلى درجة حرارة الغرفة (<50 درجة مئوية). لاحظ أن عملية التبريد لخلية واحدة يمكن أن تستغرق حوالي 30 دقيقة.
  3. أوقف برنامج الحصول على البيانات على الكمبيوتر المحمول وقياس FTIR وتسجيل الفيديو.

6. إيقاف تشغيل محلل الغاز FTIR

  1. اتبع إجراء إيقاف تشغيل FTIR الموثق في دليل الشركة المصنعة ، "FTIR و PAS Pro لإجراء التشغيل القياسي لغرفة كثافة الدخان FTT" ، الإصدار 3.1.
  2. تطهير محلل الغاز FTIR مع النيتروجين لتنظيف الأنبوب والمحلل لمدة ~ 15 دقيقة. تأكد من أن معدل تدفق N2 إلى محلل الغاز FTIR هو 150-250 سم مكعب / دقيقة.
  3. أثناء تطهير محلل الغاز ، انقل نتائج FTIR إلى شريحة ذاكرة USB.
  4. بعد التطهير ، قم بإيقاف تشغيل محلل الغاز.
  5. ارتد معدات الوقاية الشخصية المناسبة ، بما في ذلك زوج من القفازات العازلة للحرارة ، وقم بإزالة الفلتر في وحدة المرشح / الصمام الساخنة. كن حذرا للغاية ، حيث يمكن أن تكون وحدة المرشح / الصمام ساخنة جدا.
  6. قم بتنظيف المرشح الذي تمت إزالته باستخدام حمام بالموجات فوق الصوتية لمحلول التنظيف.

7. تنظيف الغرفة وجمع البيانات

  1. قبل إجراء التنظيف بالمكنسة الكهربائية ، تحقق مما إذا كان خط أخذ العينات (السحب) FTIR (المتصل بالغرفة) مغلقا أو مفتوحا للهواء المحيط. بالنسبة لنموذج محلل الغاز المقدم في هذه الدراسة ، حدد الهواء المحيط على برنامج PAS Pro أو قم بإيقاف تشغيل FTIR تماما. يؤدي عدم القيام بذلك إلى تلف FTIR.
  2. تأكد من تركيب مرشح كربون بين مضخة الحجاب الحاجز المقاومة للمواد الكيميائية (المضخة 1 في الشكل 2) والغرفة. حدد عدد الاستخدامات على المرشح واستبدله بآخر جديد كل ~ 10-15 اختبارا.
  3. افتح الصمام 1 للتحضير للكنس الجزئي للحجرة باستخدام مضخة الحجاب الحاجز المقاومة للمواد الكيميائية.
  4. قم بتشغيل مضخة الحجاب الحاجز حتى ينخفض ضغط الغرفة إلى P1 = 9.7 psia (أي ضغط مقياس -5).
  5. قم بإيقاف تشغيل مضخة الحجاب الحاجز وأغلق الصمام 1.
  6. افتح الصمام 3 (انظر الشكل 4) لملء الحجرة بالهواء المحيط.
  7. أغلق الصمام 3 عندما يتعافى ضغط الغرفة إلى الضغط المحيط ، P∞.
  8. كرر إجراء التنظيف الجزئي بالمكنسة الكهربائية (الخطوات 7.3-7.7) خمس مرات. من خلال هذا ، يجب أن تنخفض نسبة غاز العادم في الغرفة إلى (P 1 / P ∞) 5 = 12.5٪.
  9. افتح الصمام 2 للتحضير للكنس الكامل للغرفة باستخدام مضخة التفريغ (المضخة 2 في الشكل 2).
  10. قم بتشغيل مضخة التفريغ حتى ينخفض ضغط الغرفة إلى P2 = 4.7 رطل لكل بوصة مربعة (أو -10 ضغط مقياس رطل لكل بوصة مربعة).
  11. قم بإيقاف تشغيل المضخة وأغلق الصمام 2.
  12. افتح الصمام 3 لملء الحجرة بالهواء المحيط حتى يتعافى ضغط الغرفة إلى الضغط المحيط ، P∞.
  13. كرر إجراء التنظيف الكامل بالمكنسة الكهربائية (الخطوات 7.9-7.12) مرتين.
    ملاحظة: بعد إجراءات التنظيف الجزئي والكامل ، يجب أن تكون نسبة غاز العادم في الغرفة أقل من 1.3٪.
  14. افتح الغرفة واسترجع كاميرا الفيديو والخلية.
  15. قم بإيقاف تشغيل توازن الكتلة.
  16. استخدم منشفة ورقية مبللة لتنظيف الجزء الداخلي من الحجرة (على سبيل المثال ، قم بإزالة جميع الحطام وامسح الجدران الداخلية للغرفة).
  17. التقط صورا قبل وأثناء وبعد إخراج الخلية من حامل الخلية.
  18. وزن الخلية وتسجيل كتلة ما بعد الاختبار للخلية.
  19. استرجع جميع البيانات المسجلة (قراءات المزدوجة الحرارية ، جهد الخلية ، جهد شريط التسخين ، التيار ، ضغط الغرفة ، وقياس كتلة الخلية) من الكمبيوتر المحمول وتسجيلات الفيديو من كاميرتي الفيديو.
  20. اجمع بين مقاطع الفيديو التي تم جمعها باستخدام برنامج تحرير الفيديو. سجل وقت بداية الأحداث الكبرى ، مثل تنفيس الخلية والهروب الحراري والنار. احفظ الفيديو المدمج بالتنسيق المطلوب (على سبيل المثال ، mp4 أو avi).
  21. بعد معالجة البيانات التي تم جمعها وإنشاء مخططات لتصور التطور الزمني لجميع القياسات.

النتائج

يتم تضمين مقاطع الفيديو التي تمثل عمليات الهروب الحراري النموذجية مع الحرائق وبدونها في الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2 ، على التوالي. الأحداث الرئيسية موضحة في الشكل 5. مع ارتفاع درجة حرارة الخلية (إلى ~ 110-130 °C) ، تبدأ الخلية في التورم ، مما يشير إلى ترا?...

Discussion

الخطوات الأكثر أهمية في البروتوكول هي تلك المتعلقة بالغازات السامة المنبعثة في الهروب الحراري LIB. يجب إجراء اختبار التسرب في الخطوة 3.11 بعناية لضمان حصر الغازات السامة في الغرفة أثناء التجارب. يجب أيضا إجراء إجراءات تنظيف غاز الغرفة (الخطوات 7.1-7.14) بشكل صحيح للتخفيف من خطر الغازات السامة. ق?...

Disclosures

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.

Acknowledgements

هذه الدراسة مدعومة من قبل معاهد أبحاث UL. تم تكييف جميع خلايا البطارية في هذا العمل وإعدادها في مختبر البروفيسور كريس يوان في جامعة كيس ويسترن ريزيرف (CWRU). غرفة الاختبار على سبيل الإعارة إلى CWRU من مركز أبحاث جلين التابع لناسا. لقد تلقينا دعما هائلا على محلل الغاز FTIR من طالب دكتوراه سابق ، الدكتور يومي ماتسوياما في CWRU ، والدعم الفني على مستشعر H2 من جيف تاكر وبراندون ويكس وبريان إنجل من أجهزة استشعار Amphenol المتقدمة. نحن نقدر بصدق الدعم من بوشكال كنان وبويو وانغ في CWRU. نود أيضا أن نعرب عن تقديرنا للمناقشات الفنية مع ألكسندرا شرايبر من UL Solutions.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
BalanceA&DEJ-6100
Carbon filterWhatmanWHA67041500
Current transducerNK TechnologiesAT1-010-000-FT
Front cameraSonyFDR-AX53
FTIR gas analyzerFire Testing TechnologyProtea atmosFIR AFS-A-15
Heating tape (1.00" x 2.00")Birk Manufacturing, Inc.BK3512-19.6-L24-03
High-temperature resistant tapeKapton
Hydrogen sensorAmphenolAX220135
K-type, thermocoupleOmegaKMQSS-020U-12
LabVIEWNational Instruments
MatlabMathWorks
NI-9213National InstrumentsNI-9213
NI-9219National InstrumentsNI-9219
NI-cDAQ-9174National InstrumentsNI-cDAQ-9174
NI-USB-6009National InstrumentsNI-USB-6009
PID controllerOmegaCN8200
PILOT5000 Chemical Resistant Diaphragm Vacuum PumpThe Lab DepotTLD5000
Pressure relief valveStravalRVL20-10T-N4675
Pressure TransmitterKeller0308.01601.081303.02
Pure Nickel Strip (0.1x5x100mm 99.6% Nickel)U.S. Solid Product
RespiratorMcMaster55865T52
Respirator CartridgeHoneywell 75Scp100L
Rotary vane vacuum pump (0.5 hp)AlcatelPascal 2010
Side cameraSonyHDR-CX110
Spot WelderSUNKKO737G+
TeamViewerTeamViewer
Voltage transducerCR Magnetics Inc.CR4510-50

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. . 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)

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

193

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved