Sul posto Analisi dei gas e caratterizzazione antincendio delle celle agli ioni di litio durante il runaway termico utilizzando una camera ambientale

Riepilogo

Qui, descriviamo una procedura di prova sviluppata per caratterizzare il runaway termico e gli incendi nelle celle agli ioni di litio attraverso misurazioni in situ di vari parametri in una camera ambientale.

Abstract

Vengono sviluppate un'apparecchiatura sperimentale e una procedura operativa standard (SOP) per raccogliere dati risolti nel tempo sulle composizioni dei gas e sulle caratteristiche dell'incendio durante e post-esaurimento termico delle celle delle batterie agli ioni di litio (LIB). Una cella cilindrica 18650 è condizionata a uno stato di carica desiderato (SOC; 30%, 50%, 75% e 100%) prima di ogni esperimento. La cella condizionata viene forzata in un runaway termico da un nastro riscaldante elettrico ad una velocità di riscaldamento costante (10 °C/min) in una camera ambientale (volume: ~600 L). La camera è collegata a un analizzatore in fase gas a infrarossi in trasformata di Fourier (FTIR) per misurazioni della concentrazione in tempo reale. Due camcorder vengono utilizzati per registrare eventi importanti, come lo sfiato delle celle, il runaway termico e il successivo processo di masterizzazione. Vengono registrate anche le condizioni della cella, come la temperatura superficiale, la perdita di massa e la tensione. Con i dati ottenuti, le pseudo-proprietà delle celle, le composizioni di gas di sfiato e la velocità di massa di sfiato possono essere dedotte come funzioni della temperatura cellulare e del SOC della cella. Mentre la procedura di prova è sviluppata per una singola cella cilindrica, può essere facilmente estesa per testare diversi formati di cellule e studiare la propagazione del fuoco tra più cellule. I dati sperimentali raccolti possono anche essere utilizzati per lo sviluppo di modelli numerici per incendi LIB.

Introduzione

Negli ultimi decenni, le batterie agli ioni di litio (LIB) hanno guadagnato popolarità e beneficiato di enormi progressi tecnologici. A causa di vari vantaggi (ad esempio, alta densità di energia, bassa manutenzione, bassi tempi di autoscarica e ricarica e lunga durata), il LIB è stato considerato una promettente tecnologia di stoccaggio dell'energia e ampiamente utilizzato in varie applicazioni, come grandi sistemi di accumulo di energia (ESS), veicoli elettrici (EV) e dispositivi elettronici portatili. Mentre la domanda globale di celle LIB dovrebbe raddoppiare da 725 GWh nel 2020 a 1.500 GWh nel 2030¹, negli ultimi anni c'è stato un aumento ....

Protocollo

1. Avvio dell'analizzatore di gas FTIR

NOTA: Le procedure possono essere diverse per le diverse marche e modelli dell'analizzatore di gas FTIR. La seguente procedura è per l'analizzatore di gas specifico utilizzato in questo lavoro.

1. Installare un nuovo filtro o un filtro pulito (cioè uno che è stato pulito in un bagno ad ultrasuoni) nell'unità filtro/valvola (vedere Figura 1 e Figura 2).
2. Aprire la valvola della bombola di azoto collegata all'analizzatore di gas (vedere Figura 2). Regolare la portata dell'azoto a 150....

Risultati

I video che rappresentano i tipici processi termici di fuga con e senza incendi sono inclusi rispettivamente nel file supplementare 1 e nel file supplementare 2. Gli eventi chiave sono illustrati nella Figura 5. Quando la temperatura della cella viene aumentata (a ~ 110-130 ° C), la cella inizia a gonfiarsi, indicando l'accumulo della pressione interna (causata dalla vaporizzazione degli elettroliti e dall'espansione termica dei gas all'interno della cella<.......

Discussione

I passaggi più critici del protocollo sono quelli riguardanti i gas tossici rilasciati nel runaway termico LIB. La prova di tenuta nella fase 3.11 deve essere eseguita con attenzione per garantire che i gas tossici siano confinati nella camera durante gli esperimenti. Anche le procedure di pulizia dei gas della camera (fasi 7.1-7.14) devono essere eseguite correttamente per mitigare il pericolo derivante dai gas tossici. I gas tossici possono costituire solo una piccola frazione del gas di sfiato durante il runaway term.......

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Balance	A&D	EJ-6100
Carbon filter	Whatman	WHA67041500
Current transducer	NK Technologies	AT1-010-000-FT
Front camera	Sony	FDR-AX53
FTIR gas analyzer	Fire Testing Technology	Protea atmosFIR AFS-A-15
Heating tape (1.00" x 2.00")	Birk Manufacturing, Inc.	BK3512-19.6-L24-03
High-temperature resistant tape	Kapton
Hydrogen sensor	Amphenol	AX220135
K-type, thermocouple	Omega	KMQSS-020U-12
LabVIEW	National Instruments
Matlab	MathWorks
NI-9213	National Instruments	NI-9213
NI-9219	National Instruments	NI-9219
NI-cDAQ-9174	National Instruments	NI-cDAQ-9174
NI-USB-6009	National Instruments	NI-USB-6009
PID controller	Omega	CN8200
PILOT5000 Chemical Resistant Diaphragm Vacuum Pump	The Lab Depot	TLD5000
Pressure relief valve	Straval	RVL20-10T-N4675
Pressure Transmitter	Keller	0308.01601.081303.02
Pure Nickel Strip (0.1x5x100mm 99.6% Nickel)	U.S. Solid Product
Respirator	McMaster	55865T52
Respirator Cartridge	Honeywell	75Scp100L
Rotary vane vacuum pump (0.5 hp)	Alcatel	Pascal 2010
Side camera	Sony	HDR-CX110
Spot Welder	SUNKKO	737G+
TeamViewer	TeamViewer
Voltage transducer	CR Magnetics Inc.	CR4510-50