Beschleunigung der Ratenkalorimetrie und ergänzende Techniken zur Charakterisierung von Sicherheitsrisiken für Batterien

Zusammenfassung

Eine Methode zur Charakterisierung der potentiellen Ausfallgefahren von Lithiumbatterien wird mit der Beschleunigung der Geschwindigkeitskalorimetrie erreicht. In diesem Experiment werden die Wärme- und Druckabgabe, die visuelle Beobachtung des Ausfallereignisses und die Abscheidung der entwickelten Gase gesammelt, um die schlimmsten glaubwürdigen Bedrohungen durch den Ausfall von Batterien zu identifizieren.

Zusammenfassung

Die Gefahren, die mit der Chemie von Lithium-basierten Batterien verbunden sind, sind aufgrund ihres katastrophalen Charakters gut dokumentiert. Das Risiko wird in der Regel durch eine technische Risikomatrix qualitativ bewertet. Innerhalb der Matrix werden potenziell gefährliche Ereignisse kategorisiert und nach Schweregrad und Wahrscheinlichkeit eingestuft, um Entscheidungsträgern und Stakeholdern ein Situationsbewusstsein zu vermitteln. Die stochastische Natur von Batterieausfällen, insbesondere der Lithium-Ionen-Chemie, macht es schwierig, die Wahrscheinlichkeitsachse einer Matrix richtig einzuschätzen. Glücklicherweise gibt es Charakterisierungswerkzeuge, wie z. B. die beschleunigte Ratenkalorimetrie (ARC), die den Schweregrad des Batterieausfalls charakterisieren. ARC wurde in großem Umfang zur Charakterisierung reaktiver Chemikalien eingesetzt, kann aber auch eine neue Anwendung bieten, um Batterieausfälle unter sicheren, kontrollierten experimentellen Bedingungen zu induzieren und kritische Sicherheitsparameter zu quantifizieren. Aufgrund der Robustheit des Kalorimeters mit erweitertem Volumen können Zellen aufgrund einer Vielzahl von Beanspruchungen sicher zum Versagen gebracht werden: thermisch (einfache Erwärmung der Zelle), elektrochemisch (Überladung), elektrisch (externer Kurzschluss) oder physikalisch (Quetschung oder Nagelpenetration). In diesem Artikel werden die Verfahren zur Vorbereitung und Instrumentierung einer kommerziellen Lithium-Ionen-Batteriezelle für den Ausfall in einem ARC beschrieben, um wertvolle Sicherheitsdaten zu sammeln: Beginn des thermischen Durchgehens, Endotherm in Verbindung mit dem Schmelzen des Polymerabscheiders, Druckentlastung während des thermischen Durchgehens, gasförmige Sammlung zur analytischen Charakterisierung, maximale Temperatur der vollständigen Reaktion und visuelle Beobachtung von Zersetzungsprozessen mit einem Hochtemperatur-Endoskop (Entlüftung und Zelle können brechen). Um einen Zellausfall zu induzieren, wird eine thermische "Heat-Wait-Seek"-Methode verwendet, bei der die Batterie schrittweise auf einen Sollwert erhitzt wird, dann identifiziert das Instrument die Wärmeentwicklung der Batterie. Wenn Wärme einen Temperaturanstieg in der Batterie erzeugt, folgt die Temperatur des Kalorimeters diesem Temperaturanstieg und behält einen adiabatischen Zustand bei. Daher tauscht die Zelle keine Wärme mit der äußeren Umgebung aus, so dass die gesamte Wärmeentwicklung der ausgefallenen Batterie aufgefangen wird.

Einleitung

Wiederaufladbare Batterien, insbesondere die Lithium-Ionen-Chemie, haben das Funktionieren einer vollelektrischen Gesellschaft ermöglicht, die alle Aspekte des täglichen Lebens wie Transport, Kommunikation und Unterhaltung umfasst. Bei diesen Energiespeicheranwendungen entspricht die Ladekapazität der Reichweite oder der Laufzeit. Die Maximierung dieser Parameter führt zu aggressiv hochenergetischen Lithium-Ionen-Zellen. Mit zunehmender elektrischer Energie in Lithium-Ionen-Zellen wird leider auch schädliche Energie freigesetzt, wenn ein Ausfall auftritt¹. Eine Reihe von Regulierungsbehörden, Fachgesellschaften und unabhängigen Labors haben Standards entwickelt, um die Sicherheit von wiederaufladbaren Batterien besser zu charakterisieren. Eine Methode zur Quantifizierung der thermischen Intensität eines Batteriesicherheitsereignisses ist die beschleunigte Geschwindigkeitskalorimetrie (ARC)^2,3. Diese Art der Kalorimetrie wird nahezu adiabatisch durchgeführt, um die explizite Wärmeerzeugung aus einem Material oder einer Batteriezelle zu Beginn einer exothermen Reaktion und dann durch thermisches Durchgehen und Verbrennungsreaktionsprozesse zu erfassen. Das ARC-Instrument bietet die Möglichkeit, die Worst-Case-Wärme-, Druck- und Gaserzeugung aus einer exothermen Materialreaktion in einer sicheren und kontrollierten Laborumgebung zu charakterisieren.

Das ARC-Instrument wurde erstmals in den 1970er Jahren entwickelt, um exotherme Ausreißreaktionen von gefährlichen und reaktiven Chemikalien in sicherem Maßstab zu simulieren und die Gefahren reaktiver Chemikalien zu bewerten, um Sicherheitsverfahren für Handhabung, Verwendung, Lagerung und Transport zu entwickeln⁴. In den frühen 1980er Jahren wurde ARC erstmals eingesetzt, um thermische Ausreißreaktionen in Lithiumzellen zu untersuchen. Der ARC arbeitet durch eine "adaptive adiabatische Steuerung", was bedeutet, dass die Temperatur des Kalorimeters versucht, die Zelltemperatur anzupassen, während eine Reaktion stattfindet. Es findet auch kein Wärmeaustausch zwischen der zu testenden Probe und der Umgebung statt. Da sich die Zelle selbst erwärmt und ihre Temperatur steigt, wird der Wärmeübergang zwischen der Zelle und ihrer Umgebung minimiert. Ein Schema der ARC-Kammer mit Heizelementen und Positionen für die Prüfung von Lithium-Ionen-Zellen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Das ARC-Instrument ist in verschiedenen Größen erhältlich, um eine Vielzahl von Batteriematerialien, Zellkomponenten, Zellen, Batterien und Batteriemodulen aufzunehmen, wie in Tabelle 1 gezeigt. Das ARC bietet auch eine Reihe von Testprotokollen für die thermische Analyse, darunter das am weitesten verbreitete für die Sicherheitscharakterisierung von Lithium-Ionen-Batterien, das als Heat-Wait-Seek (HWS) bekannt ist. ARC-Messungen können in einer "offenen" oder "geschlossenen" Prüfkonfiguration durchgeführt werden. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden Prüfkonfigurationen besteht in der Möglichkeit, Druck- und Gasprobenahmemessungen im geschlossenen System durchzuführen. Die offene Konfiguration eignet sich für die visuelle Beobachtung durch den Einsatz einer Hochtemperaturkamera oder eines Endoskops ^4,5. Die Verwendung eines kleinen kugelförmigen Druckbehälters oder einer "Bombe" wurde im ARC verwendet, um die Reaktionswärmefreisetzung von Batterieelektrodenmaterialien⁶ zu messen. Typischerweise wird die Wärmefreisetzung durch die Lithiumkonzentration in den Materialien bestimmt und verstärkt sich in Gegenwart von organischen Elektrolytlösungsmitteln und Lithiumsalzen ^7,8. Auf zellulärer Ebene ist ein erweiterter Volumen-ARC erforderlich, um die Wärme-, Druck- und Gasfreisetzung aus dem thermischen Durchgehen sicher zu halten. Darüber hinaus können Funktionen in das ARC-Instrument integriert werden, um Batterieausfälle durch Nagelpenetration, elektrochemische Überladung oder externen Kurzschluss zu induzieren.

Das Sandia National Laboratory war in der Vergangenheit führend bei der ARC-Charakterisierung von Batterien zur Unterstützung des US-Energie- und Verkehrsministeriums. Sandia hat viele Berichte veröffentlicht, in denen seine Bedeutung bei der Generierung kritischer Sicherheitsdaten hervorgehoben wird, was die Bundespolitik und die Sicherheitsstandards beeinflusst hat ^9,10. Im Bericht liefern sie optimale Testparameter, Datenerfassungs- und Berichtskriterien⁹. Die meisten der empfohlenen Verfahren werden in diesem Artikel angewendet, um die thermische Gefahr einer einzelnen zylindrischen Lithium-Ionen-Zelle unter thermischem Durchgehen unter Verwendung des HWS-Protokolls zu charakterisieren. Insbesondere kann der ARC objektive quantitative Nachweise für Faktoren liefern, die die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien und Batteriematerialien (d. h. maximale Temperatur, Heizrate als Funktion von Zeit/Temperatur, Entlüftungsgas als Funktion von Zeit/Temperatur und chemische Analyse von gefährlichen Substanzen aus abgelassenem Gas und Rauch) während eines Batterieausfalls beeinflussen.

Das am häufigsten verwendete ARC-Prüfprotokoll für Batteriesicherheitstests ist HWS. Das HWS-Protokoll bietet eine genaue Detektion von exothermen Reaktionen, die in Lithium-Ionen-Zellen auftreten, und ist genauer als ein einfacher Rampenheizmodus. Dies ist die Standardmethode zur Charakterisierung des thermischen Durchgehens von Batterien. Die Kammer wird auf eine anfängliche Starttemperatur erhitzt, dann wird eine Wartezeit angewendet, die von der Probenmasse und den Wärmeübertragungseigenschaften abhängt. Nach diesem Schritt sucht das Kalorimeter nach einer Exothermie, die größer als die eingestellte Empfindlichkeit ist (z. B. 0,02 °C/min). Wenn in der angegebenen Zeit keine Exothermie beobachtet wird, heizt sich die Kammer erneut um einen definierten Temperaturschritt (z. B. 5 °C) auf und der Vorgang wird wiederholt. Abbildung 2 zeigt das Prozessablaufdiagramm für HWS (Abbildung 2A) und experimentelle Daten, die die verschiedenen Stadien von HWS während der ersten Iterationen veranschaulichen (Abbildung 2B).

Die vollständigen Definitionen der einzelnen Testschritte im HWS-Protokoll lauten wie folgt. Der Heizmodus ist die Leistung, die Kammerheizungen zur Verfügung gestellt wird, um die Temperatur der Kammer und des Prüflings (DUT) zu erhöhen. Der Wartemodus tritt auf, wenn ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem Kalorimeter und der Bombe oder dem Prüfling hergestellt ist. Der Suchmodus tritt auf, wenn Berechnungen der Temperaturänderung bestimmt werden und sich die Zeit auf die Änderung der Empfindlichkeit bezieht, typischerweise 0,02 °C/min. Der Kühlmodus wird am Ende eines Tests gestartet, wenn eine maximale Temperatur oder ein maximaler Druck erreicht wurde. Beim herkömmlichen Kühlmechanismus wird ein Inertgas wie Stickstoff in die Kammer geleitet. Alternativ kann flüssiger Stickstoff in die Kammer eingeleitet werden, um die Abkühlung zu beschleunigen. Der Exotherm-Modus bezieht sich auf einen Temperaturanstieg, der nach einem Suchschritt beobachtet wird, und wird als Exotherm bezeichnet. Dies beschreibt eine Umgebung, in der die Selbsterhitzung des Prüflings größer ist als die gewählte Empfindlichkeit, typischerweise 0,02 °C/min. Der Exotherm-Modus wird so lange fortgesetzt, bis die Rate der Selbsterwärmung unter die gewünschte Empfindlichkeit fällt, woraufhin ein anderer Wärmemodus ausgelöst wird, und die Wärme-Warte-Such-Sequenz wird fortgesetzt, bis eine maximale Temperatur- oder Druckgrenze erreicht ist.

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Protokoll

1. Kalibrierung des Kalorimeters

HINWEIS: Es ist wichtig, das Kalorimeter zu kalibrieren, um Änderungen der Wärmeübertragungsbedingungen zum/von derselben Zelle (z. B. Anschließen von elektrischen Kabeln mit großem Durchmesser an die Zelle) oder den Austausch des Hauptmessthermoelements zu berücksichtigen. Das Gerät sollte nach einem Zeitraum von 2-3 Monaten neu kalibriert werden, da sich die Reaktionen der Thermoelemente bei längerem Gebrauch ändern können.

1. Verwenden Sie ein kleines kugelförmiges Gefäß oder eine "Bombe" zur Kalibrierung des Kalorimeters.
2. Befestigen Sie eine leere kugelförmige Bombe aus bekanntem Material (z. B. Titan, Edelstahl, Aluminium usw.) an der Unterseite des Kalorimeterdeckels.
3. Stellen Sie sicher, dass das Kalorimeter sauber und frei von Schmutz ist.
4. Passen Sie die Kalibrierbedingungen an die erwarteten Prüfbedingungen an. Alle speziellen Vorrichtungen müssen in der Kammer an der vorgesehenen Stelle vorhanden sein, um eine ordnungsgemäße Kalibrierung zu gewährleisten.
5. Verbinden Sie die Spitze des Bomben-Thermoelementdrahts mit der Oberfläche des kugelförmigen Bombengefäßes. Die Spitze muss mit der Bombe in Kontakt sein, damit die Kalibrierung korrekt funktioniert. Sichern Sie den Thermoelementdraht und die Leitungen bei Bedarf mit Hochtemperaturband.
6. Stellen Sie sicher, dass der Deckel des Kalorimeters vollständig geschlossen ist und der Deckel und der Boden einen guten Kontakt aufweisen.
7. Schließen Sie die Strahlbox, um Luftströmungen zu vermeiden, die über das Kalorimeter wehen und die Messung beeinträchtigen können.
8. Für einen Kalibriertest sind folgende Parameter zu verwenden: Temperaturschritt = 25 °C; Starttemperatur = 50 °C; Endtemperatur = 405 °C; Empfindlichkeit der Temperaturrate = 0,01 °C/min; und Wartezeit = 30 min.
9. Stellen Sie sicher, dass die vorherigen Kalibrierungs-Offsets aus der Software gelöscht werden.
10. Beginnen Sie mit dem Kalibrierungsvorgang.

2. Phi-Faktor-Test

HINWEIS: Selbst der leistungsstärkste ARC kann keine vollständige Adiabinität erreichen. Daher geht während des Tests etwas Wärme verloren, die berücksichtigt werden muss, um genaue Kalorimetriedaten zu erhalten.

1. Berücksichtigen Sie den Wärmeverlust, indem Sie einen Versatzfaktor φ mit der folgenden Gleichung berechnen:

Die bekannte Wärmekapazität und Masse (c und m) für die Bombe und die Probe wird angewendet. Führen Sie nach der Kalibrierung der Kammer einen Drifttest durch. Stellen Sie sicher, dass der resultierende Phi-Faktor innerhalb von ±0,02 °C/min liegt.

3. Wärmemasse und Wärmekapazität kommerzieller Batteriezellen für die zerstörende Prüfung

1. Berechnen Sie die Wärmekapazität bei einer kurzen, milden, zerstörungsfreien Erwärmung der Zelle. Führen Sie diesen Vorgang in einem Temperaturbereich von 25–55 °C durch (Umgebungstemperatur auf die maximal empfohlene Betriebstemperatur der Zelle). Verwenden Sie flüssigen Stickstoff, um die Wärmekapazität anhand von Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur zu bewerten.
2. Sammeln Sie die Einzelzellmasse für drei identische Zellen.
3. Befestigen Sie eine Heizmatte entlang der Achse einer einzelnen 18650-Zelle mit Hochtemperaturband.
   HINWEIS: Der physikalische Testaufbau kann je nach Zellgeometrie variieren, und für unterschiedliche Zellgrößen ist eine Heizmatte in geeigneter Größe erforderlich.
4. Für Kalorimeter mit erweitertem Volumen bündeln Sie drei Zellen, einschließlich der Zelle mit Heizmatte, in einer Dreiecksform. Kleben Sie die Zellen mit Aluminiumband zusammen.
5. Befestigen Sie ein Steuerthermoelement an der Mitte einer Zelle, die an die Zelle mit der Heizmatte angrenzt.
6. Hängen Sie das dreizellige Dreieck mit Metalldraht an der Oberseite des Kalorimeters auf.
7. Setzen Sie den Deckel des Kalorimeters sicher wieder auf.
8. Stellen Sie sicher, dass die Kabel von der Heizung aus dem Kalorimeter austreten und an die variable Stromversorgung angeschlossen sind.
9. Starten Sie den Wärmekapazitätstest, indem Sie die Stromversorgung aktivieren, um über einen Zeitraum von ~2 h von 30 bis 60 °C hochzufahren.

HINWEIS: Typische Temperatur-Zeit-Daten (umgerechnet in K/s), die zur Berechnung von c_p verwendet werden, sind in Abbildung 3 dargestellt. Die dem Heizgerät zugeführte Leistung wird berechnet, indem die Versorgungsspannung und der Versorgungsstrom multipliziert werden, um die Leistung in Einheiten von W oder J/s bereitzustellen. Die Heizleistung wird durch die Steigung des Temperatur-Zeit-Diagramms dividiert, um die thermische Masse in Einheiten von J/K bereitzustellen. Schließlich wird die thermische Masse durch die Probenmasse dividiert, um die Wärmekapazität der Zelle in Einheiten von J/g·K bereitzustellen. Ein Beispiel für die Messung der Wärmekapazität ist unten dargestellt, entsprechend den Daten in Abbildung 3:

Steigung der Temperatur über die Zeit, aus Rohdaten: 0,3738 °C/min = 0,00623 K/s
Leistung von der Heizung: (8,53 V x 0,639 A) @ 30% = 1,635 W = 1,635 J/s
Thermische Masse (Leistung/Steigung) = 262,472 J/K
Wärmekapazität (thermische Masse/Masse) = 262,472 J/K dividiert durch 244 g = 1,075 J/g· K

4. Destruktive Fehlerprüfung einer kommerziellen 18650 Lithium-Ionen-Batteriezelle

1. Serienmäßiges "Heat-Wait-Seek" für Batteriezelle
   1. Stellen Sie sicher, dass sich der kommerzielle Batterie-/Zellenprüfling oder das "zu prüfende Gerät" (DUT) im gewünschten Ladezustand (SOC) für die Prüfung befindet; Im Idealfall liegt der SOC bei 100 %, um die "schlimmste glaubwürdige Bedrohung" eines Batterieausfalls darzustellen.
   2. Öffnen Sie den Deckel der äußeren Kammer.
   3. Entfernen Sie den oberen Deckel des Kalorimeters, um die Platzierung des Batterieprüflings zu arrangieren. Die Kammer sollte mit einem Standardvakuum und einem leichten Lösungsmittelwischer von Schmutz befreit sein.
   4. Montieren Sie die zylindrische Zelle in vertikaler Richtung in einen Küvettenhalter und platzieren Sie sie etwas außerhalb der Mitte des Kalorimeterinneren. Die außermittige Platzierung gewährleistet eine maximale Videoaufnahme während des thermischen Durchgehens, wenn die Hochtemperatur-Endoskopkamera nicht durch ausgestoßene Elektrolytdämpfe, Rauch und Zellauswürfe aus der oberen Entlüftung der Zelle behindert wird.
      HINWEIS: Alternativ kann die Zelle mit einem Standard-Ringständer in horizontaler Richtung befestigt werden. Jedes Mal, wenn zusätzliche Elemente wie Ringständer in das Kalorimeter eingegeben werden, sollte eine weitere Kalibrierung durchgeführt werden.
   5. Befestigen Sie das als "Bomben-Thermoelement" bezeichnete Thermoelement an der zylindrischen Zelle an der Wand, mittellang und mit Hochtemperatur-Nickeldraht gesichert. Dies geschieht, um 1) das Thermoelement während der mechanischen Belastung der Zelle an Ort und Stelle zu halten und 2) das Schmelzen von alternativem Hochtemperaturband zu vermeiden, das manchmal dem Grad der Wärmefreisetzung aus der Zelle nicht standhalten kann.
      HINWEIS: Es ist wichtig, einen guten Kontakt zwischen dem Thermoelement und der Zellwand aufrechtzuerhalten, um die genaue Temperaturmessung zu gewährleisten, die zur Steuerung der adiabatischen Erwärmung der Kalorimeterkammer erforderlich ist.
   6. Sichern Sie den Prüfling mit geeigneten Krokodilklemmen für die Ladung, Entladung, Überwachung der Leerlaufspannung oder elektrochemische Impedanzmessungen. Führen Sie die elektrischen Kabel durch die Rillen auf der Oberseite der Kalorimeterkammer.
   7. Setzen Sie den Deckel des Kalorimeters wieder auf und achten Sie darauf, dass keine Thermoelemente oder elektrischen Kabel eingeklemmt werden.
   8. Verwenden Sie die manuellen Fokusfunktionen des Hochtemperatur-Endoskops, um die Bildqualität vor dem Test zu maximieren. Oft wird das Endoskop auf die Bodenplatte des Küvettenhalters fokussiert, um Schwankungen des optischen Fokus während der Erwärmung des Kalorimeters zu berücksichtigen.
   9. Initiieren Sie ein thermisches HWS-Prüfprotokoll. Die Prüfparameter und repräsentativen Werte lauten wie folgt:
      - Starttemperatur: 35 °C
      - Endtemperatur: 305 °C
      - Temperaturstufe: 5 °C
      - Empfindlichkeit der Temperaturrate: 0,02 °C/min
      - Wartezeit: 30 min
      - Berechnung Temperaturschritt: 0,2 °C
      - Kühle Temperatur: 35 °C
      - Auslösetemperatur: 50 °C
      - Sicherheitsdruck: 200 Bar
      - Maximaler Temperaturabfall: 25 °C
      - Maximaler Druckabfall: 20 Bar
      - Maximale Exothermie: 1000,00 °C/min
      - Maximale Druckrate: 160342 Bar/min
      - Datenprotokoll Temperaturschritt: 1,00 °C
      - Zeitschritt der Datenprotokollierung: 0,5 min
      - Exotherm log Temperaturschritt: 1,00 °C
   10. Wenn eine Gasentnahme gewünscht ist, stellen Sie die Entnahmetemperatur (z. B. 120 °C) und die Entnahmezeit (z. B. 0,5 min) ein.
   11. Starten Sie den HWS-Test und lassen Sie die Zelle in ein thermisches Durchgehen übergehen.
       HINWEIS: Sobald eine maximale Temperatur des Kalorimeters erreicht ist, wird automatisch ein Abluftventilator aktiviert, um jeglichen Rauch aus dem Kalorimeter zu entfernen.
   12. Lassen Sie die Kammer vollständig auf Umgebungstemperatur abkühlen, bevor Sie den ARC öffnen und den Kalorimeterdeckel entfernen. Die Abkühlzeit für die Kammer kann durch Injektion von flüssigem oder gasförmigem Stickstoff in den Boden der Kammer beschleunigt werden. Ohne Stickstoffunterstützung kann das Abkühlen bis zu 24 Stunden dauern.
   13. Das ARC HWS-Verfahren führt zur Zersetzung/Verbrennung der Batteriezelle, wobei verbrannte Elektrodenmaterialien und
   Schmutz in der Kammer. Reinigen Sie das Kalorimeter mit einem Ladenstaubsauger und wischen Sie die Wände des Kalorimeters mit einem milden Lösungsmittel ab.

5. Sicherstellung eines erfolgreichen ARC-Tests von Lithium-Ionen-Zellen

1. Stellen Sie sicher, dass sich die Zelle im richtigen SOC befindet. Voll aufgeladene Zellen bieten in der Regel die größte Wärmeabgabe und die früheste Anfangstemperatur, was auf die größte glaubwürdige Sicherheitsbedrohung hinweist.
2. Stellen Sie sicher, dass das Bombenthermoelement mit Metalldraht an der Zelle befestigt ist. Wenn die Thermoelementspitze nicht an der Seitenwand der Batterie befestigt wird, werden die Auswirkungen der Selbsterwärmung nicht erfasst.
3. Überprüfen Sie die Thermoelementbezeichnungen: Die Bombe ist an der Zelle befestigt, die Probe schwebt frei in der Kalorimeterkammer und (bei Verwendung mehrerer Hilfsthermoelemente) ihre Positionen sind bekannt und verifiziert.
4. Wenn Sie eine Überwachung der Leerlaufspannung oder eine Elektrochemie im ARC durchführen, stellen Sie sicher, dass die Zelle einen erwarteten Spannungswert registriert. Unerwartete Spannung oder negative Spannung deutet darauf hin, dass die elektrischen Leitungen im ARC-Behälter die Verbindung verloren haben oder die Leitungen vertauscht wurden. Achten Sie darauf, die Zelle während des Aufstellens nicht kurzzuschließen, da die gesamte Kammer aus Metall besteht.

6. Interpretation der ARC-Daten und Berechnung der Reaktionswärme

1. Berechnen Sie die Gesamtreaktionswärme in Einheiten der Wärme pro Masse (J/g oder J/kg).
2. Verwenden Sie Temperatur-Zeit-Daten, um grundlegende thermische Eigenschaften der Reaktion zu erhalten, wie z. B. den Beginn der Exothermie, den_T-Beginn und die maximale Temperatur der Reaktion, T_max, unter Verwendung der Gleichung:

3. Verwenden Sie die im vorherigen Verfahren gemessene Wärmekapazität und die Berechnung von ΔT, um die Gesamtreaktionswärme zu berechnen. Verwenden Sie den φ Offset-Faktor, um das Fehlen perfekter Adiabizität zu berücksichtigen.

4. Berechnen Sie den Druckanstieg während der Reaktion mit der folgenden Gleichung:

5. Plotten Sie die logarithmische Temperaturrate in Abhängigkeit von der Temperatur, um zu zeigen, wie sich die Reaktion über den Temperaturbereich entwickelt (Abbildung 4B). Rechnen Sie die Temperaturrate (°C/min) unter Verwendung der Wärmekapazität in Einheiten von J/s um.

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Ergebnisse

Repräsentative Daten aus dem HWS-Experiment einer voll geladenen kommerziellen Lithium-Ionen-Batteriezelle 18650 sind in Abbildung 4A,B dargestellt. Die Abbildung zeigt die Zelltemperatur als Funktion der Zeit während eines "geschlossenen" ARC-Testaufbaus. Grundlegende thermische Merkmale (T_onset, T_max und ΔT) sind in der Abbildung hervorgehoben. Der Ort des_T-Beginns ist der Beginn des exothermen Schritts,...

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Diskussion

Das HWS-Testverfahren, das mit dem ARC-Instrument durchgeführt wird, ist entscheidend für die Bestimmung der größten glaubwürdigen Sicherheitsbedrohung, die von einer Lithium-Ionen-Batterie ausgeht. Die Messungen der Eigenerwärmungstemperatur und der maximalen Temperatur während des thermischen Durchgehens liefern die notwendigen objektiven Daten, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Zellen genau beurteilen zu können. Durch den Einsatz von ARC-basierten Experimenten können Batter...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
borescope	Optronics		Rigid, high temperature borescope
Energy Lab Potentiostat	Princeton Applied Research / Ametek		potentiostat capable of collecting open circuit voltage, galvanostic/potentiostatic battery cycling and electrochemical impedance spectroscopy
Extended Volume Accelerating Rate Calorimeter	Thermal Hazard Technologies		Mid-sized system, sample range: components to batteries. Working volume: 0.57 m3
high temperature tape	non specific
lithium-ion battery cell	various		rechargeable mixed metal oxide versus graphite lithium-ion cell in 18650 form factor
mat heater	Omega		form factor and size dependent upon battery cell for heat capacity measurements
spherical bomb	Thermal Hazard Technologies		small volume bomb for calibration of ARC