A fuga térmica em baterias de íons de lítio ocorre devido a várias causas, o que também pode resultar em resultados muito diferentes no pior caso. Neste método, estamos tentando simular um perigo catastrófico em uma única célula, e o protocolo mostrou fornecer consistência nos resultados para a simulação do tipo de perigo que queremos criar. A principal vantagem deste procedimento de teste é que ele mede vários parâmetros in situ em um único teste.
Os dados de resultados de tempo caracterizam de forma abrangente o evento transitório de fuga térmica da bateria de íons de lítio e incêndios. Este experimento requer uma sincronização da aquisição de dados de muitos sensores, FDIR e gravação de vídeo. O operador tem que seguir o procedimento operacional padrão para operar vários dispositivos passo a passo corretamente.
Isso garante o sucesso de experimentos com resultados consistentes e sem riscos potenciais para o pessoal e os dispositivos. Demonstrando o procedimento estarão Pushkal Kannan, um estudante de DP, e Dr.Ankit Sharma, um pesquisador de pós-doutorado do meu laboratório. Para começar, instale um filtro novo ou limpo na unidade de válvula de filtro.
Abra a válvula do cilindro de nitrogênio conectado ao analisador de gases e ajuste a taxa de fluxo de nitrogênio para 150 a 250 centímetros cúbicos por minuto. Com uma preparação celular, meça a tensão inicial e a massa da célula com uma precisão de 0,01 gramas e registre-as na folha de registro do experimento. Fixe uma fita de aquecimento ao centro da célula.
Certifique-se de que os fios da fita de aquecimento apontem para o lado negativo da célula. Tire uma foto da célula com a fita. Conecte três termopares à superfície da célula, um perto do terminal positivo, um no meio e um na parte inferior perto do terminal negativo da célula usando fita resistente a altas temperaturas.
Use o termopar próximo ao terminal positivo para controlar a taxa de aquecimento através da derivada integral proporcional, ou PID. Todos os três termopares devem estar localizados a cinco milímetros de distância da borda da fita de aquecimento. Tire uma foto da célula com uma régua para confirmar a distância da fita de aquecimento.
Solda pontualmente as abas de níquel nos terminais positivo e negativo da célula para a medição da tensão da célula e, em seguida, carregue a célula no suporte da célula. Coloque a célula e o suporte da célula sobre o balanço de massa na câmara. Conecte os conectores do termopar, a fita de aquecimento e as abas de níquel aos plugues e fios de alimentação da câmara.
Ligue o controlador PID para a fita de aquecimento e configure o perfil de aquecimento. Conecte os cabos do controlador PID, da aquisição de dados e do balanço de massa a um laptop e inicie o programa de aquisição de dados no laptop. Certifique-se de que todas as leituras do sensor mostradas no programa de aquisição de dados sejam razoáveis.
Após verificar as medições, desligue o programa de aquisição de dados. Ajuste as configurações da filmadora frontal e lateral, o balanço de branco manual, o foco manual, a exposição automática, a íris automática e a velocidade do obturador automático. Certifique-se de que a bateria da câmara de vídeo está cheia.
Posicione a filmadora com vista frontal em um tripé fora da câmara, comece a gravar na filmadora com visão lateral e coloque-a dentro de uma caixa de proteção na câmara. Depois de verificar o ângulo e a visão da filmadora lateral, bloqueie a caixa de proteção. Feche a câmara e certifique-se de que todos os parafusos das placas de cobertura estejam bem fixados.
Use a bomba de vácuo ou diafragma para realizar uma verificação de vazamento e mude a entrada FTIR do ar ambiente para a câmara. Em seguida, conecte a linha de retorno FTIR à câmara. Ajuste o controlador PID para o modo de imersão em rampa e apague a luz na sala e a luz LED na câmara.
Inicie a gravação da filmadora de visualização frontal e, em seguida, grave o seguinte processo de inicialização para sincronizar a aquisição de dados e a gravação de vídeo. Inicie a gravação de dados e o programa de aquisição de dados no laptop. Inicie o modo de imersão da rampa PID em 10 segundos no temporizador do programa de aquisição de dados, ligue a luz LED da câmara e inicie a gravação FTIR.
Posicione a filmadora frontal no tripé e continue gravando o experimento. Mude para uma sala diferente e continue monitorando o painel de aquisição de dados no laptop por meio de um programa de desktop controlado remotamente. Quando ocorrer fuga térmica, ou depois que o controlador PID tiver mantido a temperatura da célula em 200 graus Celsius por 60 minutos, desligue a alimentação da fita de aquecimento e defina o controlador PID para o modo de espera.
Termine o experimento e o registro de dados quando todas as três leituras do termopar ficarem abaixo de 40 graus Celsius. Purge o analisador de gases FTIR com nitrogênio para limpar o tubo no analisador por cerca de 15 minutos. Após a purga, pare a medição de FTIR.
Antes do procedimento de aspiração de limpeza da câmara, verifique se a linha de admissão de amostragem FTIR está fechada ou aberta ao ar ambiente. Selecione o ar ambiente no Software Protea Analyser ou no Software PAS-Pro ou desligue totalmente o FTIR. Abra a válvula um para se preparar para aspirar parcialmente a câmara usando a bomba de diafragma resistente a produtos químicos e execute a bomba de diafragma até que a pressão da câmara caia para 9,7 libras por polegada quadrada absoluta.
Desligue a bomba de diafragma e feche a válvula um, depois abra a válvula três para encher a câmara com ar ambiente. Feche a válvula três quando a pressão da câmara se recuperar para a pressão ambiente. Depois de reduzir a concentração de gases tóxicos aspirando parcialmente a câmara com a bomba de diafragma, execute uma bomba de veia rotativa até que a pressão da câmara caia para 4,7 libras por polegada quadrada absoluta para remover o resto dos gases tóxicos.
Abra a câmara e recupere a filmadora e a célula. Tire fotos antes, durante e depois de tirar o celular do suporte da célula. Pesar a célula e registar a massa pós-teste da célula.
Finalmente, pós-processar os dados coletados e gerar gráficos para visualizar a evolução temporal de todas as medições. Os dados de temperatura celular e perda de massa obtidos para uma célula cilíndrica de 18650 a 75% de carga são mostrados nesta figura. A perda de massa indica dois períodos distintos de liberação de gás, um durante a ventilação celular e outro durante a fuga térmica.
As concentrações das principais espécies de hidrocarbonetos e gases tóxicos são mostradas aqui. A corrente e a tensão gravadas fornecidas à fita de aquecimento podem ser usadas para calcular a entrada de energia para a célula. Os dados representativos de tensão e corrente fornecidos à fita de aquecimento e energia e potência calculadas para a fita de aquecimento são apresentados aqui.
O fator mais importante aqui é garantir a segurança durante e após cada experimento. A experiência deve evitar um curto-circuito externo da célula de ensaio. E os outros fatores críticos estão confirmando que o SoC da célula e as taxas de aquecimento são verificados para estar correto antes do teste.
Também é fundamental vedar completamente a câmara para confinar a exaustão de gases tóxicos e seguir o procedimento de limpeza exatamente para remover os gases de forma segura. O procedimento de teste pode ser estendido para estudar a aplicação de fogo em diferentes formatos de células e módulos, avançando nossa compreensão da fuga térmica e do escalonamento de incêndio de bateria em baterias multi-células. Os dados abrangentes de resultados de tempo coletados neste procedimento de teste permitem o desenvolvimento de futuros modelos e teorias de baterias de íons de lítio.
Também ajudará a entender como o fogo da bateria aumenta.
