La fuga térmica en las baterías de iones de litio ocurre debido a varias causas, que también pueden resultar en resultados muy diferentes en el peor de los casos. En este método, estamos tratando de simular un peligro catastrófico en una sola célula, y se ha demostrado que el protocolo proporciona consistencia en los resultados para la simulación del tipo de peligro que queremos crear. La principal ventaja de este procedimiento de prueba es que mide varios parámetros in situ en una sola prueba.
Los datos de resultados de tiempo caracterizan exhaustivamente el evento transitorio de fuga térmica de la batería de iones de litio y los incendios. Este experimento requiere una sincronización de la adquisición de datos de muchos sensores, FDIR y grabación de video. El operador tiene que seguir el procedimiento operativo estándar para operar múltiples dispositivos paso a paso correctamente.
Esto garantiza el éxito de los experimentos con resultados consistentes y sin peligros potenciales para el personal y los dispositivos. Demostrando el procedimiento estarán Pushkal Kannan, un estudiante de PD, y el Dr. Ankit Sharma, un investigador postdoctoral de mi laboratorio. Para comenzar, instale un filtro nuevo o limpio en la unidad de válvula de filtro.
Abra la válvula del cilindro de nitrógeno conectado al analizador de gas y ajuste el caudal de nitrógeno a 150 a 250 centímetros cúbicos por minuto. Con una preparación de celda, mida el voltaje inicial y la masa de la celda con una precisión de 0.01 gramos y regístrelos en la hoja de registro del experimento. Coloque una cinta térmica en el centro de la celda.
Asegúrese de que los cables de la cinta calefactora apunten hacia el lado negativo de la celda. Tome una foto de la celda con la cinta. Conecte tres termopares a la superficie de la celda, uno cerca del terminal positivo, uno en el medio y uno en la parte inferior cerca del terminal negativo de la celda con cinta resistente a altas temperaturas.
Use el termopar cerca del terminal positivo para controlar la velocidad de calentamiento a través de la derivada integral proporcional, o PID. Los tres termopares deben ubicarse a cinco milímetros del borde de la cinta calefactora. Tome una foto de la celda con una regla para confirmar la distancia de la cinta calefactora.
Suelde por puntos las pestañas de níquel a los terminales positivo y negativo de la celda para la medición del voltaje de la celda, luego cargue la celda en el soporte de la celda. Coloque la celda y el soporte de la celda en el balance de masa de la cámara. Conecte los conectores del termopar, la cinta calefactora y las lengüetas de níquel a los enchufes y cables de alimentación de la cámara.
Encienda el controlador PID para la cinta calefactora y configure el perfil calefactor. Conecte los cables para el controlador PID, la adquisición de datos y el balance de masa a una computadora portátil e inicie el programa de adquisición de datos en la computadora portátil. Asegúrese de que todas las lecturas del sensor que se muestran en el programa de adquisición de datos sean razonables.
Después de verificar las mediciones, desactive el programa de adquisición de datos. Ajuste la configuración de la videocámara de vista frontal y lateral, el balance de blancos manual, el enfoque manual, la exposición automática, el iris automático y la velocidad de obturación automática. Asegúrese de que la batería de la videocámara esté llena.
Coloque la videocámara de visión frontal en un trípode fuera de la cámara, comience a grabar en la videocámara de vista lateral y colóquela dentro de una caja de protección en la cámara. Después de verificar el ángulo y la vista de la videocámara de vista lateral, bloquee la caja de protección. Cierre la cámara y asegúrese de que todos los tornillos de las placas de la cubierta estén bien sujetos.
Utilice la bomba de vacío o de diafragma para realizar una comprobación de fugas y cambie la entrada FTIR de aire ambiente a la cámara. A continuación, conecte la línea de retorno FTIR a la cámara. Configure el controlador PID en modo de remojo de rampa y apague la luz de la habitación y la luz LED de la cámara.
Inicie la grabación de la videocámara de vista frontal y, a continuación, grabe el siguiente proceso de inicio para sincronizar la adquisición de datos y la grabación de vídeo. Inicie la grabación de datos y el programa de adquisición de datos en la computadora portátil. Inicie el modo de remojo de rampa PID a los 10 segundos en el temporizador del programa de adquisición de datos, encienda la luz LED de la cámara e inicie la grabación FTIR.
Coloque la videocámara de vista frontal en el trípode y continúe grabando el experimento. Muévase a una habitación diferente y continúe monitoreando el panel de adquisición de datos en la computadora portátil a través de un programa de escritorio controlado a distancia. Cuando se produzca una fuga térmica, o después de que el controlador PID haya mantenido la temperatura de la celda a 200 grados centígrados durante 60 minutos, apague la alimentación de la cinta calefactora y configure el controlador PID en modo de espera.
Finalice el experimento y el registro de datos cuando las tres lecturas del termopar sean inferiores a 40 grados centígrados. Purgue el analizador de gas FTIR con nitrógeno para limpiar el tubo en el analizador durante unos 15 minutos. Después de la purga, detenga la medición FTIR.
Antes del procedimiento de aspiración de limpieza de la cámara, compruebe si la línea de toma de muestras FTIR está cerrada o abierta al aire ambiente. Seleccione el aire ambiente en el software analizador Protea o en el software PAS-Pro, o apague el FTIR por completo. Abra la válvula uno para prepararse para aspirar parcialmente la cámara usando la bomba de diafragma resistente a productos químicos, y haga funcionar la bomba de diafragma hasta que la presión de la cámara caiga a 9.7 libras por pulgada cuadrada absoluta.
Apague la bomba de diafragma y cierre la válvula uno, luego abra la válvula tres para llenar la cámara con aire ambiente. Cierre la válvula tres cuando la presión de la cámara recupere la presión ambiente. Después de reducir la concentración de gases tóxicos aspirando parcialmente la cámara con la bomba de diafragma, ejecute una bomba de vena rotativa hasta que la presión de la cámara caiga a 4.7 libras por pulgada cuadrada absoluta para eliminar el resto de los gases tóxicos.
Abra la cámara y recupere la videocámara y la celda. Tome fotos antes, durante y después de quitar la celda del soporte de la celda. Pese la célula y registre la masa posterior a la prueba de la célula.
Finalmente, post-procesar los datos recopilados, y generar gráficos para visualizar la evolución temporal de todas las mediciones. Los datos de temperatura y pérdida de masa de la celda obtenidos para una celda cilíndrica 18650 al 75% de estado de carga se muestran en esta figura. La pérdida de masa indica dos períodos distintos de liberación de gas, uno durante la ventilación celular y el otro durante la fuga térmica.
Las concentraciones de las principales especies de hidrocarburos y gases tóxicos se muestran aquí. La corriente registrada y el voltaje suministrados a la cinta calefactora se pueden utilizar para calcular la entrada de energía a la celda. Aquí se presentan los datos representativos de la tensión y la corriente suministrados a la cinta calefactora y la energía y potencia calculadas suministradas a la cinta calefactora.
El factor más importante aquí es garantizar la seguridad durante y después de cada experimento. El experimento debe evitar un cortocircuito externo de la célula de prueba. Y los otros factores críticos están confirmando que el SoC de la celda y las velocidades de calentamiento se verifican como correctos antes de la prueba.
También es fundamental sellar la cámara completamente para confinar el escape de gases tóxicos y seguir el procedimiento de limpieza exactamente para eliminar los gases de manera segura. El procedimiento de prueba se puede ampliar para estudiar la aplicación de fuego en diferentes formatos y módulos de celdas, avanzando en nuestra comprensión de la fuga térmica y la escala de fuego de batería en baterías multicelda. Los datos completos de resultados de tiempo recopilados en este procedimiento de prueba permiten el desarrollo de futuros modelos y teorías de baterías de iones de litio.
También ayudará a comprender cómo aumenta el fuego de la batería.
