Thermisches Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien tritt aufgrund mehrerer Ursachen auf, was auch zu sehr unterschiedlichen Worst-Case-Ergebnissen führen kann. Bei dieser Methode versuchen wir, eine katastrophale Gefahr in einer einzelnen Zelle zu simulieren, und es hat sich gezeigt, dass das Protokoll konsistente Ergebnisse für die Simulation der Art von Gefahr liefert, die wir erzeugen möchten. Der Hauptvorteil dieses Testverfahrens besteht darin, dass es verschiedene Parameter in situ in einem einzigen Test misst.
Die Zeitergebnisdaten charakterisieren umfassend das transiente Ereignis von Lithium-Ionen-Batterien, thermischem Durchgehen und Bränden. Dieses Experiment erfordert eine Synchronisierung der Datenerfassung von vielen Sensoren, der FDIR und der Videoaufzeichnung. Der Bediener muss die Standardarbeitsanweisung befolgen, um mehrere Geräte Schritt für Schritt korrekt zu bedienen.
Dies sichert den Erfolg von Experimenten mit konsistenten Ergebnissen und ohne potenzielle Gefährdungen für Mensch und Geräte. Das Verfahren wird von Pushkal Kannan, einem PD-Studenten, und Dr. Ankit Sharma, einem Postdoktoranden aus meinem Labor, demonstriert. Installieren Sie zunächst einen neuen oder sauberen Filter in der Filterventileinheit.
Öffnen Sie das Ventil der Stickstoffflasche, die an den Gasanalysator angeschlossen ist, und stellen Sie den Stickstoffdurchfluss auf 150 bis 250 Kubikzentimeter pro Minute ein. Messen Sie bei einer Zellpräparation die Anfangsspannung und -masse der Zelle mit einer Genauigkeit von 0,01 Gramm und halten Sie sie auf dem Versuchsprotokollblatt fest. Befestigen Sie ein Heizband in der Mitte der Zelle.
Stellen Sie sicher, dass die Heizbanddrähte zur negativen Seite der Zelle zeigen. Machen Sie ein Foto von der Zelle mit dem Klebeband. Befestigen Sie drei Thermoelemente mit hochtemperaturbeständigem Klebeband an der Zellenoberfläche, eines in der Nähe des Pluspols, eines in der Mitte und eines unten in der Nähe des Minuspols der Zelle.
Verwenden Sie das Thermoelement in der Nähe des Pluspols, um die Heizrate über die proportionale integrale Ableitung (PID) zu steuern. Alle drei Thermoelemente sollten fünf Millimeter vom Rand des Heizbandes entfernt sein. Machen Sie ein Foto der Zelle mit einem Lineal, um den Abstand zum Heizband zu bestätigen.
Schweißen Sie Nickellaschen für die Zellenspannungsmessung punktuell an die Plus- und Minuspole der Zelle und laden Sie dann die Zelle auf den Zellenhalter. Setzen Sie die Zelle und den Zellhalter auf die Massenwaage in der Kammer. Verbinden Sie die Thermoelementstecker, das Heizband und die Nickellaschen mit den Steckern und Drähten der Kammerdurchführung.
Schalten Sie den PID-Regler für das Heizband ein und richten Sie das Heizprofil ein. Schließen Sie die Kabel für den PID-Regler, die Datenerfassung und den Massenausgleich an einen Laptop an und starten Sie das Datenerfassungsprogramm auf dem Laptop. Stellen Sie sicher, dass alle im Datenerfassungsprogramm angezeigten Sensorwerte angemessen sind.
Schalten Sie nach der Überprüfung der Messungen das Datenerfassungsprogramm aus. Passen Sie die Einstellungen für den Front- und Seitenkamera-Camcorder, den manuellen Weißabgleich, den manuellen Fokus, die automatische Belichtung, die automatische Blende und die automatische Verschlusszeit an. Stellen Sie sicher, dass der Akku des Camcorders voll ist.
Positionieren Sie den Frontansicht-Camcorder auf einem Stativ außerhalb der Kammer, starten Sie die Aufnahme auf dem Seitenansicht-Camcorder und platzieren Sie ihn in einer Schutzbox in der Kammer. Nachdem Sie den Winkel und die Sicht des Camcorders in der Seitenansicht überprüft haben, verriegeln Sie die Schutzbox. Schließen Sie die Kammer und stellen Sie sicher, dass alle Schrauben an den Abdeckplatten fest angezogen sind.
Verwenden Sie die Vakuum- oder Membranpumpe, um eine Dichtheitsprüfung durchzuführen, und ändern Sie den FTIR-Einlass von der Umgebungsluft in die Kammer. Schließen Sie dann die FTIR-Rücklaufleitung an die Kammer an. Stellen Sie den PID-Regler auf den Rampeneinweichmodus ein und schalten Sie das Licht im Raum und das LED-Licht in der Kammer aus.
Starten Sie die Aufnahme des Frontansicht-Camcorders, und zeichnen Sie dann den folgenden Startvorgang auf, um die Datenerfassung und die Videoaufzeichnung zu synchronisieren. Starten Sie die Datenaufzeichnung und das Datenerfassungsprogramm auf dem Laptop. Starten Sie den PID-Rampen-Soak-Modus nach 10 Sekunden auf dem Timer des Datenerfassungsprogramms, schalten Sie das Kammer-LED-Licht ein und starten Sie die FTIR-Aufzeichnung.
Positionieren Sie den Frontkamera-Camcorder auf dem Stativ und setzen Sie die Aufzeichnung des Experiments fort. Wechseln Sie in einen anderen Raum und überwachen Sie das Datenerfassungspanel auf dem Laptop weiterhin über ein ferngesteuertes Desktop-Programm. Wenn ein thermisches Durchgehen auftritt oder nachdem der PID-Regler die Zellentemperatur 60 Minuten lang auf 200 Grad Celsius gehalten hat, schalten Sie das Heizband aus und schalten Sie den PID-Regler in den Standby-Modus.
Beenden Sie das Experiment und die Datenaufzeichnung, wenn alle drei Thermoelementwerte unter 40 Grad Celsius fallen. Spülen Sie den FTIR-Gasanalysator mit Stickstoff, um das Röhrchen im Analysator etwa 15 Minuten lang zu reinigen. Beenden Sie nach dem Bereinigen die FTIR-Messung.
Prüfen Sie vor dem Absaugen der Kammerreinigung, ob die Ansaugleitung der FTIR-Probenahme geschlossen oder zur Umgebungsluft hin offen ist. Wählen Sie Umgebungsluft in der Protea Analyser Software oder PAS-Pro Software aus oder schalten Sie das FTIR vollständig aus. Öffnen Sie das erste Ventil, um sich auf das teilweise Vakuumieren der Kammer mit der chemikalienbeständigen Membranpumpe vorzubereiten, und lassen Sie die Membranpumpe laufen, bis der Kammerdruck auf 9,7 Pfund pro Quadratzoll absolut sinkt.
Schalten Sie die Membranpumpe aus, schließen Sie das erste Ventil und öffnen Sie dann das dritte Ventil, um die Kammer mit Umgebungsluft zu füllen. Schließen Sie das dritte Ventil, wenn der Kammerdruck wieder auf den Umgebungsdruck zurückgekehrt ist. Nachdem Sie die Konzentration giftiger Gase durch teilweises Absaugen der Kammer mit der Membranpumpe gesenkt haben, lassen Sie eine Drehvenenpumpe laufen, bis der Kammerdruck auf 4,7 Pfund pro Quadratzoll absolut abfällt, um den Rest der giftigen Gase zu entfernen.
Öffnen Sie die Kammer und holen Sie den Camcorder und die Zelle heraus. Machen Sie Fotos vor, während und nach dem Abnehmen der Zelle aus dem Zellenhalter. Wiegen Sie die Zelle und notieren Sie die Masse der Zelle nach dem Test.
Bearbeiten Sie schließlich die gesammelten Daten nach und erstellen Sie Diagramme, um die zeitliche Entwicklung aller Messungen zu visualisieren. Die Zelltemperatur und der Massenverlustdaten, die für eine zylindrische Zelle des Typs 18650 bei einem Ladezustand von 75 % erhalten wurden, sind in dieser Abbildung dargestellt. Der Massenverlust weist auf zwei unterschiedliche Gasfreisetzungsperioden hin, eine während der Zellentlüftung und die andere während des thermischen Durchgehens.
Hier sind die Konzentrationen der wichtigsten Kohlenwasserstoff- und toxischen Gasspezies dargestellt. Der aufgezeichnete Strom und die Spannung, die dem Heizband zugeführt werden, können zur Berechnung der Leistungsaufnahme in die Zelle verwendet werden. Hier werden die repräsentativen Daten für Spannung und Strom, die dem Heizband zugeführt werden, sowie die berechnete Energie und Leistung, die dem Heizband zugeführt wird, dargestellt.
Der wichtigste Faktor dabei ist die Gewährleistung der Sicherheit während und nach jedem Experiment. Das Experiment muss einen externen Kurzschluss der Prüfzelle verhindern. Und die anderen kritischen Faktoren sind die Bestätigung, dass der Zell-SoC und die Heizraten vor dem Test als korrekt verifiziert wurden.
Es ist auch wichtig, die Kammer vollständig abzudichten, um die Abluft giftiger Gase einzudämmen, und das Reinigungsverfahren genau zu befolgen, um die Gase auf sichere Weise zu entfernen. Das Testverfahren kann erweitert werden, um die Brandanwendung in verschiedenen Zellformaten und -modulen zu untersuchen, was unser Verständnis des thermischen Durchgehens und der Ablagerung von Batteriebränden in mehrzelligen Batterien verbessert. Die in diesem Testverfahren gesammelten umfassenden Zeitergebnisdaten ermöglichen die Entwicklung zukünftiger Modelle und Theorien von Lithium-Ionen-Batterien.
Es wird auch helfen zu verstehen, wie Batteriefeuer skaliert.
