リチウムイオン電池の熱暴走はいくつかの原因で発生し、最悪の場合の結果も大きく異なる可能性があります。この方法では、単一のセルで壊滅的なハザードをシミュレートしようとしていますが、プロトコルは、作成したいハザードの種類のシミュレーションの結果に一貫性を提供することが示されています。この試験手順の主な利点は、1回の試験で様々なパラメータをその場で測定できることです。
時間結果データは、リチウムイオン電池の熱暴走と火災の一時的なイベントを包括的に特徴付けます。この実験では、多くのセンサーからのデータ収集、FDIR、およびビデオ録画の同期が必要です。オペレーターは、複数のデバイスを段階的に正しく操作するために、標準の操作手順に従う必要があります。
これにより、一貫した結果で、人員やデバイスに潜在的な危険をもたらすことなく、実験を成功させることができます。手順を実演するのは、PDの学生であるプシュカル・カンナンと、私の研究室のポスドク研究員であるアンキット・シャルマ博士です。まず、フィルターバルブユニットに新しいフィルターまたはきれいなフィルターを取り付けます。
ガス分析装置に接続されている窒素ボンベのバルブを開き、窒素流量を毎分150〜250立方センチメートルに調整します。細胞調製物では、細胞の初期電圧と質量を0.01グラムの精度で測定し、実験ログシートに記録します。セルの中央に加熱テープを貼り付けます。
加熱テープのワイヤがセルのマイナス側を向いていることを確認します。テープでセルの写真を撮ります。高温耐性テープを使用して、セルの表面に3つの熱電対を取り付けます.1つはプラス端子の近く、1つは中央、もう1つはセルのマイナス端子の近くです。
正端子の近くにある熱電対を使用して、比例積分微分(PID)を介して加熱速度を制御します。3つの熱電対はすべて、加熱テープの端から5ミリメートル離れた場所に配置する必要があります。定規でセルの写真を撮り、加熱テープからの距離を確認します。
セル電圧測定のためにニッケルタブをセルの正端子と負極端子にスポット溶接し、セルホルダーにセルをロードします。セルとセルホルダーをチャンバー内のマスバランスに置きます。熱電対コネクタ、加熱テープ、ニッケルタブをチャンバーフィードスループラグとワイヤに接続します。
加熱テープのPIDコントローラーの電源を入れ、加熱プロファイルを設定します。PIDコントローラ、データ収集、およびマスバランスのケーブルをラップトップに接続し、ラップトップでデータ収集プログラムを起動します。データ収集プログラムに表示されるすべてのセンサーの読み取り値が妥当であることを確認してください。
測定値を確認した後、データ収集プログラムをオフにします。フロントビューとサイドビューのビデオカメラの設定、手動ホワイトバランス、手動フォーカス、自動露出、自動アイリス、および自動シャッター速度を調整します。ビデオカメラのバッテリーがいっぱいになっていることを確認します。
フロントビュービデオカメラをチャンバーの外側の三脚に置き、サイドビュービデオカメラで録画を開始し、チャンバー内の保護ボックス内に置きます。サイドビュービデオカメラの角度とビューを確認した後、保護ボックスをロックします。チャンバーを閉じ、カバープレートのすべてのネジがしっかりと固定されていることを確認します。
真空ポンプまたはダイヤフラムポンプを使用してリークチェックを実施し、FTIRの吸気を周囲空気からチャンバーに変更します。次に、FTIRリターンラインをチャンバーに接続します。PIDコントローラーをランプソークモードに設定し、部屋のライトとチャンバーのLEDライトをオフにします。
フロントビュービデオカメラの録画を開始し、次の起動プロセスを録画して、データ収集とビデオ録画を同期させます。ラップトップでデータ記録とデータ収集プログラムを起動します。データ収集プログラムタイマーの10秒でPIDランプソークモードを開始し、チャンバーLEDライトをオンにして、FTIR記録を開始します。
正面図ビデオカメラを三脚に置き、実験の記録を続けます。別の部屋に移動し、リモート制御のデスクトッププログラムを使用してラップトップのデータ集録パネルの監視を続けます。熱暴走が発生した場合、またはPIDコントローラーがセル温度を摂氏200度に60分間維持した後、加熱テープの電源を切り、PIDコントローラーをスタンバイモードに設定します。
3つの熱電対の読み取り値がすべて摂氏40度を下回ったら、実験とデータの記録を終了します。FTIRガス分析計を窒素でパージして、分析器内のチューブを約15分間洗浄します。パージ後、FTIR測定を停止します。
チャンバーのクリーンアップ掃除機をかける前に、FTIRサンプリング吸気ラインが閉じているか、周囲空気に対して開いているかを確認してください。Protea アナライザーソフトウェアまたは PAS-Pro ソフトウェアで周囲の空気を選択するか、FTIR を完全にシャットダウンします。バルブ1を開いて、耐薬品性のダイヤフラムポンプを使用してチャンバーを部分的に真空にする準備をし、チャンバーの圧力が9.7ポンド/平方インチに低下するまでダイヤフラムポンプを作動させます。
ダイヤフラムポンプをオフにし、バルブ1を閉じてからバルブ3を開き、チャンバーを周囲空気で満たします。チャンバーの圧力が周囲圧力に回復したら、バルブ3を閉じます。ダイヤフラムポンプでチャンバーを部分的に真空にして有毒ガスの濃度を下げた後、チャンバーの圧力が絶対4.7ポンド/平方インチに低下するまで回転静脈ポンプを作動させて、残りの有毒ガスを除去します。
チャンバーを開き、ビデオカメラとセルを取り出します。セルホルダーからセルを取り外す前、最中、および後に写真を撮ります。細胞の重量を量り、細胞の試験後の質量を記録します。
最後に、収集したデータを後処理し、プロットを生成して、すべての測定値の時間発展を視覚化します。75%の充電状態で18650円筒形セルについて得られたセル温度と質量損失のデータをこの図に示します。質量損失は、セルベント中と熱暴走中の2つの異なるガス放出期間を示します。
主要な炭化水素および有毒ガス種の濃度を以下に示します。加熱テープに供給される記録された電流および電圧は、セルへの入力電力を計算するために使用することができる。ここでは、加熱テープに供給される電圧と電流、および加熱テープに供給される計算されたエネルギーと電力の代表的なデータを示します。
ここで最も重要な要素は、各実験中および実験後の安全性を確保することです。実験は、テストセルの外部短絡を防ぐ必要があります。そして、他の重要な要素は、テストの前にセルSoCと加熱速度が正しいことが検証されていることを確認することです。
また、有毒ガスの排出を閉じ込めるためにチャンバーを完全に密閉し、安全な方法でガスを除去するためにクリーンアップ手順を正確に実行することも重要です。テスト手順は、さまざまなセル形式およびモジュールでの火災アプリケーションを研究するように拡張でき、マルチセルバッテリーの熱暴走とバッテリー火災スケーリングの理解を深めることができます。このテスト手順で収集された包括的な時間結果データは、リチウムイオン電池の将来のモデルと理論の開発を可能にします。
また、バッテリーの火災がどのように拡大するかを理解するのにも役立ちます。
