Name: in situ gas analysis and fire characterization of lithium-ion cells during thermal runaway using an environmental chamber
Uploaded: 2023-03-31T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Gas Analysis and Fire Characterization of Lithium-Ion Cells During Thermal Runaway Using an Environmental Chamber at JoVE.com

هذه الدراسة مدعومة من قبل معاهد أبحاث UL. تم تكييف جميع خلايا البطارية في هذا العمل وإعدادها في مختبر البروفيسور كريس يوان في جامعة كيس ويسترن ريزيرف (CWRU). غرفة الاختبار على سبيل الإعارة إلى CWRU من مركز أبحاث جلين التابع لناسا. لقد تلقينا دعما هائلا على محلل الغاز FTIR من طالب دكتوراه سابق ، الدكتور يومي ماتسوياما في CWRU ، والدعم الفني على مستشعر H2 من جيف تاكر وبراندون ويكس وبريان إنجل من أجهزة استشعار Amphenol المتقدمة. نحن نقدر بصدق الدعم من بوشكال كنان وبويو وانغ في CWRU. نود أيضا أن نعرب عن تقديرنا للمناقشات الفنية مع ألكسندرا شرايبر من UL Solutions.

1. بدء تشغيل محلل الغاز FTIR
ملاحظة: يمكن أن تختلف الإجراءات باختلاف العلامات التجارية ونماذج محلل الغاز FTIR. الإجراء التالي مخصص لمحلل الغاز المحدد المستخدم في هذا العمل.
<ol><li>قم بتركيب مرشح جديد أو مرشح نظيف (أي مرشح تم تنظيفه في حمام بالموجات فوق الصوتية) في وحدة الم...

<ol>
	<li>Duffner, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Post-lithium-ion+battery+cell+production+and+its+compatibility+with+lithium-ion+cell+production+infrastructure.">Post-lithium-ion battery cell production and its compatibility with lithium-ion cell production infrastructure.</a> Nature Energy. 6 (2), 123-134 (2021).</li><li>Wang, Q., Mao, B., Stoliarov, S. I., Sun, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+lithium+ion+battery+failure+mechanisms+and+fire+prevention+strategies.">A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 73, 95-131 (2019).</li><li>Srinivasan, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+safety+management+in+Li-ion+batteries:+current+issues+and+perspectives.">Thermal safety management in Li-ion batteries: current issues and perspectives.</a> Journal of The Electrochemical Society. 167 (14), 140516 (2020).</li><li>Jeevarajan, J. A., Joshi, T., Parhizi, M., Rauhala, T., Juarez-Robles, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Battery+hazards+for+large+energy+storage+systems.">Battery hazards for large energy storage systems.</a> ACS Energy Letters. 7 (8), 2725-2733 (2022).</li><li>Ogunfuye, S., Sezer, H., Said, A. O., Simeoni, A., Akkerman, V. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+analysis+of+gas-induced+explosions+in+vented+enclosures+in+lithium-ion+batteries.">An analysis of gas-induced explosions in vented enclosures in lithium-ion batteries.</a> Journal of Energy Storage. 51, 104438 (2022).</li><li>Diaz, L. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Meta-review+of+fire+safety+of+lithium-ion+batteries:+Industry+challenges+and+research+contributions.">Meta-review of fire safety of lithium-ion batteries: Industry challenges and research contributions.</a> Journal of The Electrochemical Society. 167 (9), 090559 (2020).</li><li>Jeevarajan, J., Robles, D. J., Joshi, T., Kathirvel, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fire+and+smoke+characterization+of+lithium-ion+cells+and+modules+during+thermal+runaway.">Fire and smoke characterization of lithium-ion cells and modules during thermal runaway.</a> Electrochemical Society Meeting Abstracts. The Electrochemical Society, Inc. 5, 280 (2021).</li><li>Lopez, C. F., Jeevarajan, J. A., Mukherjee, P. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+analysis+of+thermal+runaway+and+propagation+in+lithium-ion+battery+modules.">Experimental analysis of thermal runaway and propagation in lithium-ion battery modules.</a> Journal of The Electrochemical Society. 162 (9), 1905 (2015).</li><li>Ghiji, M., Edmonds, S., Moinuddin, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+experimental+and+numerical+studies+of+lithium+ion+battery+fires.">A review of experimental and numerical studies of lithium ion battery fires.</a> Applied Sciences. 11 (3), 1247 (2021).</li><li>Jhu, C. Y., Wang, Y. W., Shu, C. M., Chang, J. C., Wu, H. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+explosion+hazards+on+18650+lithium+ion+batteries+with+a+VSP2+adiabatic+calorimeter.">Thermal explosion hazards on 18650 lithium ion batteries with a VSP2 adiabatic calorimeter.</a> Journal of Hazardous Materials. 192 (1), 99-107 (2011).</li><li>Roth, E. P., Doughty, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+abuse+performance+of+high-power+18650+Li-ion+cells.">Thermal abuse performance of high-power 18650 Li-ion cells.</a> Journal of Power Sources. 128 (2), 308-318 (2004).</li><li>Golubkov, A. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal-runaway+experiments+on+consumer+Li-ion+batteries+with+metal-oxide+and+olivin-type+cathodes.">Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes.</a> RSC Advances. 4 (7), 3633-3642 (2013).</li><li>Joshi, T., Azam, S., Lopez, C., Kinyon, S., Jeevarajan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Safety+of+lithium-ion+cells+and+batteries+at+different+states-of-charge.">Safety of lithium-ion cells and batteries at different states-of-charge.</a> Journal of The Electrochemical Society. 167 (14), 140547 (2020).</li><li>Ribi&#232;re, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+on+the+fire-induced+hazards+of+Li-ion+battery+cells+by+fire+calorimetry.">Investigation on the fire-induced hazards of Li-ion battery cells by fire calorimetry.</a> Energy &amp; Environmental Science. 5 (1), 5271-5280 (2012).</li><li>Chen, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+on+the+thermal+hazards+of+18650+lithium+ion+batteries+by+fire+calorimeter.">Investigation on the thermal hazards of 18650 lithium ion batteries by fire calorimeter.</a> Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 122 (2), 755-763 (2015).</li><li>Fu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+experimental+study+on+burning+behaviors+of+18650+lithium+ion+batteries+using+a+cone+calorimeter.">An experimental study on burning behaviors of 18650 lithium ion batteries using a cone calorimeter.</a> Journal of Power Sources. 273, 216-222 (2015).</li><li>Ouyang, D., He, Y., Chen, M., Liu, J., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+on+the+thermal+behaviors+of+lithium-ion+batteries+under+discharge+and+overcharge+conditions.">Experimental study on the thermal behaviors of lithium-ion batteries under discharge and overcharge conditions.</a> Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 132 (1), 65-75 (2018).</li><li>Said, A. O., Lee, C., Liu, X., Wu, Z., Stoliarov, S. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+measurement+of+multiple+thermal+hazards+associated+with+a+failure+of+prismatic+lithium+ion+battery.">Simultaneous measurement of multiple thermal hazards associated with a failure of prismatic lithium ion battery.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 37 (3), 4173-4180 (2019).</li><li>Quintiere, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+methods+to+measure+the+energetics+of+a+lithium+ion+battery+in+thermal+runaway.">On methods to measure the energetics of a lithium ion battery in thermal runaway.</a> Fire Safety Journal. 111, 102911 (2020).</li><li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+lithium-ion+battery+safety+concerns:+The+issues,+strategies,+and+testing+standards.">A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standards.</a> Journal of Energy Chemistry. 59, 83-99 (2021).</li><li>Kennedy, R. W., Marr, K. C., Ezekoye, O. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gas+release+rates+and+properties+from+Lithium+Cobalt+Oxide+lithium+ion+battery+arrays.">Gas release rates and properties from Lithium Cobalt Oxide lithium ion battery arrays.</a> Journal of Power Sourcres. 487, 229388 (2021).</li><li>Essl, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+hazard+analysis+of+failing+automotive+Lithium-ion+batteries+in+overtemperature+experiments.">Comprehensive hazard analysis of failing automotive Lithium-ion batteries in overtemperature experiments.</a> Batteries. 6 (2), 30 (2020).</li><li>. Fire characterization and gas analysis of lithium-ion batteries during thermal runaway Available from: <a target="_blank" href="https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/89734">https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/89734</a> (2022)</li><li>FTIR Toxity Test. Fire Testing Technology Available from: <a target="_blank" href="https://www.fire-testing.com/ftir-toxicity-test/">https://www.fire-testing.com/ftir-toxicity-test/</a> (2022)</li></ol>

الخطوات الأكثر أهمية في البروتوكول هي تلك المتعلقة بالغازات السامة المنبعثة في الهروب الحراري LIB. يجب إجراء اختبار التسرب في الخطوة 3.11 بعناية لضمان حصر الغازات السامة في الغرفة أثناء التجارب. يجب أيضا إجراء إجراءات تنظيف غاز الغرفة (الخطوات 7.1-7.14) بشكل صحيح للتخفيف من خطر الغازات السامة. ق?...

في العقود القليلة الماضية ، اكتسبت بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) شعبية واستفادت من التطورات التكنولوجية الهائلة. نظرا للمزايا المختلفة (على سبيل المثال ، كثافة الطاقة العالية ، والصيانة المنخفضة ، وأوقات التفريغ الذاتي والشحن المنخفضة ، والعمر الطويل) ، فقد تم اعتبار LIB تقنية واعدة لتخزين الطاقة وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات مختلفة ، مثل أنظمة تخزين الطاقة الكبيرة (ESSs) والمركبات الكهربائية (EVs) والأجهزة الإلكترونية المحمولة. في حين أنه من المتوقع أن يتضاعف الطلب العالمي على خلايا LIB من 725 جيجاوات ساعة في عام 2020 إلى 1500 جيجاوات ساعة في عام 20301 ، كانت هناك زيادة كبيرة في الحرائق والانفجارات المتعلقة ب LIBs في السنوات الأخيرة2. تظهر هذه الحوادث المخاطر العالية المرتبطة ب LIBs ، مما يثير مخاوف بشأن استخدامها على نطاق واسع. للتخفيف من هذه المخاوف ، من الأهمية بمكان الحصول على فهم شامل لعملية الهروب الحراري LIB التي تؤدي إلى الحرائق.
كشفت الحوادث السابقة أن خلايا LIB تفشل عندما تتعطل الكيمياء الكهربائية للخلية بسبب ارتفاع درجة الحرارة في ظروف التشغيل غير الطبيعية (مثل ماس كهربائى خارجي ، والتفريغ السريع ، والشحن الزائد ، والأضرار المادية) أو بسبب عيوب التصنيع وسوء التصميم2،3،4. تؤدي هذه الأحداث إلى تحلل واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI) ، مما يحفز التفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة بين مواد القطب والكهارل. عندما تتجاوز الحرارة الناتجة في هذه التفاعلات تلك التي يتم تبديدها ، فإنها تؤدي إلى تسخين ذاتي سريع للخلايا ، والمعروف أيضا باسم الهروب الحراري. يمكن أن تستمر درجة الحرارة والضغط الداخليان في الارتفاع حتى يتسبب الضغط المتراكم في تمزق البطارية وإطلاق غازات سامة قابلة للاشتعال بسرعة عالية. في تكوين بطارية متعددة الخلايا ، يمكن أن يؤدي الهروب الحراري في خلية واحدة ، إذا لم يتم التحكم فيه ، إلى انتشار حراري جامح إلى خلايا أخرى وحوادث حريق وانفجار على مستويات كارثية ، خاصة في الأماكن المغلقة ذات التهوية المحدودة. وهذا يشكل تهديدات كبيرة لسلامة الإنسان وهياكله.
في العقود القليلة الماضية ، تم إجراء عدد من الدراسات للتحقيق في التفاعلات الحرارية الهاربة ل LIBs مما يؤدي إلى احتراق الشوارد العضوية داخل البطارية وإطلاق الغازات القابلة للاشتعال في ظل ظروف تسخين مختلفة2،5،6،7،8،9،10،11،12. على سبيل المثال ، أظهر Jhu et al.10 الطبيعة الخطرة ل LIBs الأسطوانية المشحونة مقارنة بتلك غير المشحونة باستخدام مسعر ثابت الحرارة. ركزت العديد من الدراسات الأخرى على السلوك الحراري الجامح ل LIBs في حالات الشحن المختلفة (SOCs). على سبيل المثال ، قام Joshi et al.13 بالتحقيق في الهروب الحراري لأنواع مختلفة من LIBs التجارية (أسطوانية وحقيبة) في SOCs مختلفة. وقد لوحظ أن الخلايا في SOCs الأعلى لديها فرصة أكبر للخضوع للهروب الحراري مقارنة بتلك الموجودة في SOCs المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، يختلف الحد الأدنى من SOC لحدوث الهروب الحراري باختلاف تنسيقات الخلايا والكيميائيات. اختبر Roth et al.11 LIBs الأسطوانية في مسعر معدل متسارع (ARC) ولاحظ أنه مع زيادة SOC ، انخفضت درجة حرارة بداية الهروب الحراري وزاد معدل التسارع. طور Golubkov et al.12 حامل اختبار مصمم خصيصا وأظهر أن درجة حرارة السطح القصوى ل LIBs الأسطوانية يمكن أن تصل إلى 850 درجة مئوية. استخدم Ribière et al.14 جهاز انتشار الحريق للتحقيق في المخاطر الناجمة عن الحريق ل LIBs الحقيبة ولاحظ أن معدل إطلاق الحرارة (HRR) وإنتاج الغازات السامة يختلف اختلافا كبيرا مع الخلية SOC. درس Chen et al.15 سلوكيات الحريق لاثنين مختلفين من 18650 LIBs (LiCoO2 و LiFePO4) في SOCs مختلفة ، باستخدام مسعر حراري مخصص في الموقع. تم العثور على HRR ، وفقدان الكتلة ، ودرجة حرارة السطح القصوى لزيادة مع SOC. وقد ثبت أيضا أن خطر الانفجار كان أعلى بالنسبة لخلية كاثود أكسيد الكوبالت الليثيوم المشحونة بالكامل (LiCoO 2) 18650 مقارنة بخلية كاثود فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO2) 18650. أجرى Fu et al.16 و Quang et al.17 تجارب إطلاق النار على LIBs (عند 0٪ -100٪ SOCs) باستخدام مسعر مخروطي. وقد لوحظ أن LIBs عند ارتفاع SOC أدت إلى ارتفاع مخاطر الحريق بسبب فترات زمنية أقصر للاشتعال والانفجار ، وارتفاع HRR ، وارتفاع درجة حرارة السطح ، وارتفاع انبعاثات CO وCO 2.
للتلخيص ، قدمت الدراسات السابقة التي تستخدم مسعرات مختلفة18,19 (ARC ، وقياس السعرات الحرارية الكاظمة للحرارة ، وقياس السعرات الحرارية C80 ، وقياس السعرات الحرارية المعدلة للقنابل) بيانات وفيرة عن العمليات الكهروكيميائية والحرارية المرتبطة بالهروب الحراري LIB والحرائق (على سبيل المثال ، HRR ، تركيبات الغازات المنفوخة) واعتمادها على SOC ، وكيمياء البطارية ، وتدفق الحرارة الساقط 2,3 ، 7,20. ومع ذلك ، تم تصميم معظم هذه الطرق في الأصل للمواد القابلة للاحتراق الصلبة التقليدية (مثل عينات السليلوز والبلاستيك) وتوفر معلومات محدودة عند تطبيقها على حرائق LIB. في حين أن بعض الاختبارات السابقة قاست HRR وإجمالي الطاقة المتولدة من التفاعلات الكيميائية ، لم تتم معالجة الجوانب الحركية للحرائق الهاربة بعد الحرارة بشكل كامل.
تعتمد شدة المخاطر أثناء الهروب الحراري بشكل أساسي على طبيعة وتكوين الغازات المنبعثة 2,5. لذلك ، من المهم وصف الغازات المنبعثة ومعدل التنفيس واعتمادها على SOC. قامت بعض الدراسات السابقة بقياس تركيبات غازات التنفيس للهارب الحراري LIB في بيئة خاملة (على سبيل المثال ، في النيتروجين أو الأرجون)12،21،22 ؛ تم استبعاد عنصر الحريق أثناء الهروب الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء هذه القياسات في الغالب بعد التجارب (بدلا من الموقع). ولا تزال التطورات في تكوين غازات الفتحات أثناء الهروب الحراري وبعده ، وخاصة تلك التي تنطوي على حرائق وغازات سامة ، غير مستكشفة بشكل كاف.
من المعروف أن الهروب الحراري يعطل الكيمياء الكهربائية للبطارية ويؤثر على جهد الخلية ودرجة حرارتها. لذلك ، يجب أن يوفر الاختبار الشامل لتوصيف عملية الهروب الحراري ل LIB قياسا متزامنا لدرجة الحرارة والكتلة والجهد والغازات المهواة (المعدل والتكوين). لم يتحقق ذلك في إعداد واحد في الدراسات السابقة. في هذه الدراسة ، تم تطوير جهاز جديد وبروتوكول اختبار لجمع البيانات التي تم حلها زمنيا حول معلومات الخلية ، وتركيبات الغاز ، وخصائص الحريق أثناء وبعد الهروب الحراري لخلايا LIB23. يظهر جهاز الاختبار في الشكل 1 أ. يتم استخدام غرفة بيئية كبيرة (~ 600 لتر) لحصر الحدث الحراري الجامح. تم تجهيز الغرفة بصمام تخفيف الضغط (مع ضغط مقياس محدد عند 0.5 رطل لكل بوصة مربعة) لمنع ارتفاع الضغط في الغرفة. يتم توصيل محلل غاز فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) بالغرفة لأخذ عينات الغاز في الموقع طوال الاختبار. يكتشف 21 نوعا من الغازات (H 2 O ، CO 2 ، CO ، NO ، NO ،2 ، N 2 O ، SO 2 ، HCl ، HCN ، HBr ، HF ، NH 3 ، C 2 H 4 ، C 2 H 6 ، C 3 H8 ، C 6 H14 ، CH 4 ، HCHO ، C 6 H 6O ، C 3H 4O ، و COF 2). معدل أخذ العينات FTIR هو 0.25 هرتز. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تثبيت مستشعر هيدروجين مستقل داخل الغرفة بالقرب من منفذ أخذ العينات FTIR لتسجيل تركيز H2. يتم تركيب مضختين (مضخة غشاء مقاومة للمواد الكيميائية 1.3 قدم مكعب في الدقيقة ومضخة تفريغ 0.5 حصان) في خط عادم الغرفة. بعد كل تجربة ، يتم اتباع إجراء تنظيف الغرفة لتصفية وضخ غاز الغرفة مباشرة إلى خط عادم المبنى.
في كل تجربة ، يتم إعداد الخلية داخل الغرفة في حامل عينة (الشكل 1 ب). يتم تشغيل الهروب الحراري بواسطة شريط تسخين كهربائي يتم التحكم فيه بالمشتق النسبي (PID) بمعدل تسخين ثابت يبلغ 10 درجات مئوية / دقيقة. يتم تسجيل درجات حرارة سطح الخلية بواسطة المزدوجات الحرارية في ثلاثة مواقع مختلفة على طول الخلية. يتم قياس فقدان كتلة الخلية من خلال توازن الكتلة. يتم مراقبة ضغط الغرفة بواسطة محول الضغط. يتم أيضا تسجيل جهد الخلية ومدخلات الطاقة (الجهد والتيار) إلى شريط التسخين. يتم جمع جميع قراءات أجهزة الاستشعار (المزدوجات الحرارية ، وفقدان الكتلة ، وجهد الخلية ، وتيار شريط التسخين ، والجهد) بواسطة برنامج مخصص للحصول على البيانات بمعدل 2 هرتز. أخيرا ، يتم استخدام كاميرتي فيديو (دقة 1920 بكسل × 1080 بكسل) لتسجيل العملية الكاملة للتجارب من زاويتين مختلفتين.
الهدف من تطوير طريقة الاختبار الجديدة هذه ذو شقين: 1) توصيف سلوكيات الدخان والحريق المرتبطة بالهروب الحراري LIB و 2) توفير بيانات تجريبية تم حلها زمنيا تمكن من تطوير نماذج عددية عالية الصلاحية لحرائق البطاريات. الهدف على المدى الطويل هو تعزيز فهم كيفية انتشار الهروب الحراري بين الخلايا في حزمة البطارية وكيف يتوسع حريق البطارية عند الانتقال من الخلايا المفردة إلى البطاريات متعددة الخلايا. في النهاية ، سيساعد هذا في تحسين الإرشادات والبروتوكولات لتخزين ونقل LIBs بأمان.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Balance</td>
			<td>A&#38;D</td>
			<td>EJ-6100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon filter</td>
			<td>Whatman</td>
			<td>WHA67041500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Current transducer</td>
			<td>NK Technologies</td>
			<td>AT1-010-000-FT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Front camera</td>
			<td>Sony</td>
			<td>FDR-AX53</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FTIR gas analyzer</td>
			<td>Fire Testing Technology</td>
			<td>Protea atmosFIR AFS-A-15</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating tape (1.00&#34; x 2.00&#34;)</td>
			<td>Birk Manufacturing, Inc.</td>
			<td>BK3512-19.6-L24-03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-temperature resistant tape</td>
			<td>Kapton</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen sensor</td>
			<td>Amphenol</td>
			<td>AX220135</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>K-type, thermocouple</td>
			<td>Omega</td>
			<td>KMQSS-020U-12</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LabVIEW</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI-9213</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>NI-9213</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI-9219</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>NI-9219</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI-cDAQ-9174</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>NI-cDAQ-9174</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI-USB-6009</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>NI-USB-6009</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PID controller</td>
			<td>Omega</td>
			<td>CN8200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PILOT5000 Chemical Resistant Diaphragm Vacuum Pump</td>
			<td>The Lab Depot</td>
			<td>TLD5000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure relief valve</td>
			<td>Straval</td>
			<td>RVL20-10T-N4675</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure Transmitter</td>
			<td>Keller</td>
			<td>0308.01601.081303.02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pure Nickel Strip (0.1x5x100mm 99.6% Nickel)</td>
			<td>U.S. Solid Product</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Respirator</td>
			<td>McMaster</td>
			<td>55865T52</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Respirator Cartridge</td>
			<td>Honeywell&#160;</td>
			<td>75Scp100L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotary vane vacuum pump (0.5 hp)</td>
			<td>Alcatel</td>
			<td>Pascal 2010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Side camera</td>
			<td>Sony</td>
			<td>HDR-CX110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spot Welder</td>
			<td>SUNKKO</td>
			<td>737G+</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TeamViewer</td>
			<td>TeamViewer</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Voltage transducer</td>
			<td>CR Magnetics Inc.</td>
			<td>CR4510-50</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ gas analysis and fire characterization of lithium-ion cells during thermal runaway using an environmental chamber

تم تطوير جهاز تجريبي وإجراءات تشغيل قياسية (SOP) لجمع البيانات التي تم حلها بمرور الوقت حول تركيبات الغاز وخصائص الحريق أثناء وبعد الهروب الحراري لخلايا بطارية ليثيوم أيون (LIB). يتم تكييف خلية أسطوانية 18650 بحالة الشحن المطلوبة (SOC ؛ 30٪ ، 50٪ ، 75٪ ، و 100٪) قبل كل تجربة. يتم دفع الخلية المكيفة إلى الهروب الحراري بواسطة شريط تسخين كهربائي بمعدل تسخين ثابت (10 °C / min) في غرفة بيئية (الحجم: ~ 600 لتر). الغرفة متصلة بمحلل غاز فورييه لتحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR) لقياسات التركيز في الوقت الفعلي. يتم استخدام اثنين من كاميرات الفيديو لتسجيل الأحداث الكبرى ، مثل تنفيس الخلية ، والهروب الحراري ، وعملية الحرق اللاحقة. يتم أيضا تسجيل ظروف الخلية ، مثل درجة حرارة السطح وفقدان الكتلة والجهد. من خلال البيانات التي تم الحصول عليها ، يمكن استنتاج الخصائص الزائفة للخلية ، وتركيبات تنفيس الغاز ، ومعدل كتلة التنفيس كوظائف لدرجة حرارة الخلية و SOC للخلية. بينما تم تطوير إجراء الاختبار لخلية أسطوانية واحدة ، يمكن توسيعه بسهولة لاختبار تنسيقات الخلايا المختلفة ودراسة انتشار الحريق بين خلايا متعددة. يمكن أيضا استخدام البيانات التجريبية التي تم جمعها لتطوير نماذج عددية لحرائق LIB.

يتم تضمين مقاطع الفيديو التي تمثل عمليات الهروب الحراري النموذجية مع الحرائق وبدونها في الملف التكميلي 1 والملف التكميلي 2 ، على التوالي. الأحداث الرئيسية موضحة في الشكل 5. مع ارتفاع درجة حرارة الخلية (إلى ~ 110-130 °C) ، تبدأ الخلية في التورم ، مما يشير إلى ترا?...

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Gas Analysis and Fire Characterization of Lithium-Ion Cells During Thermal Runaway Using an Environmental Chamber at JoVE.com

In Situ Gas Analysis and Fire Characterization of Lithium-Ion Cells During Thermal Runaway Using an Environmental Chamber

هنا ، نصف إجراء اختبار تم تطويره لتوصيف الهروب الحراري والحرائق في خلايا الليثيوم أيون من خلال القياسات في الموقع لمعلمات مختلفة في غرفة بيئية.

في الموقع تحليل الغاز وتوصيف الحريق لخلايا الليثيوم أيون أثناء الهروب الحراري باستخدام غرفة بيئية

An experimental apparatus and a standard operating procedure (SOP) are developed to collect time-resolved data on the gas compositions and fire ...

يحدث الهروب الحراري في بطاريات الليثيوم أيون لعدة أسباب ، والتي يمكن أن تؤدي أيضا إلى نتائج مختلفة جدا في أسوأ الحالات. في هذه الطريقة ، نحاول محاكاة خطر كارثي في خلية واحدة ، وقد ثبت أن البروتوكول يوفر الاتساق في النتائج لمحاكاة نوع الخطر الذي نريد إنشاءه. الميزة الرئيسية لإجراء الاختبار هذا هي أنه يقيس المعلمات المختلفة في الموقع في اختبار واحد.تميز بيانات النتيجة الزمنية بشكل شامل الحدث العابر للهروب الحراري لبطارية ليثيوم أيون والحرائق. تتطلب هذه التجربة مزامنة الحصول على البيانات من العديد من أجهزة الاستشعار و FDIR وتسجيل الفيديو. يجب على المشغل اتباع إجراءات التشغيل القياسية لتشغيل أجهزة متعددة خطوة بخطوة بشكل صحيح.هذا يضمن نجاح التجارب بنتائج متسقة وبدون مخاطر محتملة على الأفراد والأجهزة. سيوضح الإجراء بوشكال كانان ، طالب PD ، والدكتور أنكيت شارما ، باحث ما بعد الدكتوراه من مختبري. للبدء ، قم بتثبيت مرشح جديد أو نظيف في وحدة صمام المرشح.افتح صمام أسطوانة النيتروجين المتصل بمحلل الغاز ، واضبط معدل تدفق النيتروجين على 150 إلى 250 سم مكعب في الدقيقة. باستخدام إعداد الخلية ، قم بقياس الجهد الأولي وكتلة الخلية بدقة 0.01 جرام ، وسجلها في ورقة تسجيل التجربة. قم بتوصيل شريط تسخين بوسط الخلية.تأكد من أن أسلاك شريط التسخين تشير إلى الجانب السالب من الخلية. التقط صورة للخلية مع الشريط. قم بتوصيل ثلاثة مزدوجات حرارية بسطح الخلية ، واحدة بالقرب من الطرف الموجب ، وواحدة في المنتصف ، وواحدة في الأسفل بالقرب من الطرف السالب للخلية باستخدام شريط مقاوم للحرارة العالية.استخدم المزدوجة الحرارية بالقرب من الطرف الموجب للتحكم في معدل التسخين من خلال المشتق المتكامل النسبي ، أو PID. يجب أن تكون جميع المزدوجات الحرارية الثلاثة على بعد خمسة ملليمترات من حافة شريط التسخين. التقط صورة للخلية بمسطرة لتأكيد المسافة من شريط التسخين.حدد علامات تبويب النيكل الملحومة على الأطراف الموجبة والسالبة للخلية لقياس جهد الخلية ، ثم قم بتحميل الخلية على حامل الخلية. ضع الخلية وحامل الخلية على توازن الكتلة في الغرفة. قم بتوصيل الموصلات الحرارية وشريط التسخين وعلامات تبويب النيكل بمقابس وأسلاك تغذية الغرفة.قم بتشغيل وحدة تحكم PID لشريط التسخين ، وقم بإعداد ملف تعريف التسخين. قم بتوصيل الكابلات الخاصة بوحدة تحكم PID ، والحصول على البيانات ، وتوازن الكتلة بجهاز كمبيوتر محمول ، وابدأ برنامج الحصول على البيانات على الكمبيوتر المحمول. تأكد من أن جميع قراءات المستشعر الموضحة في برنامج الحصول على البيانات معقولة.بعد التحقق من القياسات ، قم بإيقاف تشغيل برنامج الحصول على البيانات. اضبط إعدادات كاميرا الفيديو الأمامية والجانبية ، وتوازن اللون الأبيض اليدوي ، والتركيز اليدوي ، والتعرض التلقائي ، وقزحية العين التلقائية ، وسرعة الغالق التلقائي. تأكد من امتلاء بطارية كاميرا الفيديو.ضع كاميرا الفيديو الأمامية على حامل ثلاثي القوائم خارج الحجرة ، وابدأ التسجيل على كاميرا الفيديو الجانبية ، وضعها داخل صندوق حماية في الحجرة. بعد التحقق من زاوية كاميرا الفيديو الجانبية والعرض ، قم بقفل صندوق الحماية. أغلق الحجرة ، وتأكد من تثبيت جميع البراغي الموجودة على ألواح الغطاء بإحكام.استخدم مضخة الفراغ أو الحجاب الحاجز لإجراء فحص التسرب ، وتغيير مدخل FTIR من الهواء المحيط إلى الغرفة. ثم قم بتوصيل خط إرجاع FTIR بالغرفة. اضبط وحدة التحكم PID على وضع نقع المنحدر ، وأطفئ الضوء في الغرفة وضوء LED في الغرفة.ابدأ تسجيل كاميرا الفيديو الأمامية ، ثم قم بتسجيل عملية بدء التشغيل التالية لمزامنة الحصول على البيانات وتسجيل الفيديو. ابدأ تسجيل البيانات وبرنامج الحصول على البيانات على الكمبيوتر المحمول. ابدأ وضع نقع منحدر PID في 10 ثوان على مؤقت برنامج الحصول على البيانات ، وقم بتشغيل ضوء LED للغرفة ، وابدأ تسجيل FTIR.ضع كاميرا الفيديو الأمامية على الحامل ثلاثي القوائم، وتابع تسجيل التجربة. انتقل إلى غرفة مختلفة ، واستمر في مراقبة لوحة الحصول على البيانات على الكمبيوتر المحمول من خلال برنامج سطح مكتب يتم التحكم فيه عن بعد. عند حدوث هروب حراري ، أو بعد أن تحافظ وحدة التحكم PID على درجة حرارة الخلية عند 200 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة ، قم بإيقاف تشغيل الطاقة عن شريط التسخين ، واضبط وحدة التحكم PID على وضع الاستعداد.قم بإنهاء التجربة وتسجيل البيانات عندما تصبح جميع القراءات الحرارية الثلاث أقل من 40 درجة مئوية. قم بتطهير محلل الغاز FTIR بالنيتروجين لتنظيف الأنبوب في المحلل لمدة 15 دقيقة تقريبا. بعد التطهير ، أوقف قياس FTIR.قبل إجراء تنظيف الغرفة بالمكنسة الكهربائية ، تحقق مما إذا كان خط أخذ العينات FTIR مغلقا أو مفتوحا للهواء المحيط. حدد الهواء المحيط على برنامج Protea Analyzer ، أو برنامج PAS-Pro ، أو قم بإيقاف تشغيل FTIR تماما. افتح الصمام الأول للتحضير للكنس الجزئي للغرفة باستخدام مضخة الحجاب الحاجز المقاومة للمواد الكيميائية ، وقم بتشغيل مضخة الحجاب الحاجز حتى ينخفض ضغط الغرفة إلى 9.7 رطل لكل بوصة مربعة مطلقة.قم بإيقاف تشغيل مضخة الحجاب الحاجز ، وأغلق الصمام الأول ، ثم افتح الصمام الثالث لملء الحجرة بالهواء المحيط. أغلق الصمام الثالث عندما يتعافى ضغط الغرفة إلى الضغط المحيط. بعد خفض تركيز الغازات السامة عن طريق تفريغ الغرفة جزئيا باستخدام مضخة الحجاب الحاجز ، قم بتشغيل مضخة الوريد الدوار حتى ينخفض ضغط الغرفة إلى 4.7 رطل لكل بوصة مربعة مطلقة لإزالة بقية الغازات السامة.افتح الحجرة واسترجع كاميرا الفيديو والخلية. التقط صورا قبل وأثناء وبعد إخراج الخلية من حامل الخلية. وزن الخلية ، وتسجيل كتلة ما بعد الاختبار للخلية.أخيرا ، بعد معالجة البيانات التي تم جمعها ، وإنشاء مخططات لتصور التطور الزمني لجميع القياسات. يظهر في هذا الشكل بيانات درجة حرارة الخلية وفقدان الكتلة التي تم الحصول عليها لخلية أسطوانية 18650 عند حالة شحن 75٪. يشير فقدان الكتلة إلى فترتين متميزتين لإطلاق الغاز ، واحدة أثناء تنفيس الخلية ، والأخرى أثناء الهروب الحراري.تركيزات الأنواع الرئيسية من الهيدروكربونات والغازات السامة موضحة هنا. يمكن استخدام التيار والجهد المسجل المزود لشريط التسخين لحساب مدخلات الطاقة للخلية. يتم عرض البيانات التمثيلية للجهد والتيار المزود لشريط التسخين والطاقة المحسوبة والطاقة المزودة لشريط التسخين هنا.العامل الأكثر أهمية هنا هو ضمان السلامة أثناء وبعد كل تجربة. يجب أن تمنع التجربة حدوث ماس كهربائي خارجي لخلية الاختبار. والعوامل الحاسمة الأخرى تؤكد أن الخلية SoC ومعدلات التسخين تم التحقق من صحتها قبل الاختبار.من الضروري أيضا إغلاق الغرفة تماما لحصر عادم الغازات السامة ، واتباع إجراء التنظيف بالضبط لإزالة الغازات بطريقة آمنة. يمكن تمديد إجراء الاختبار لدراسة تطبيق الحريق بتنسيقات ووحدات خلايا مختلفة ، مما يعزز فهمنا للهروب الحراري وتحجيم حريق البطارية في البطاريات متعددة الخلايا. تتيح بيانات النتائج الزمنية الشاملة التي تم جمعها في إجراء الاختبار هذا تطوير نماذج ونظريات مستقبلية لبطاريات الليثيوم أيون.سيساعد أيضا على فهم كيفية زيادة حجم حريق البطارية.

Research

JoVE Journal

Engineering

In Situ Gas Analysis and Fire Characterization of Lithium-Ion Cells During Thermal Runaway Using an Environmental Chamber

Construction and Testing of Coin Cells of Lithium Ion Batteries

بناء واختبار خلايا كوين من بطاريات ليثيوم ايون

Rechargeable lithium ion batteries have wide applications in electronics, where customers always demand more capacity and longer lifetime.  Lithium ion ...

Characterization of Electrode Materials for Lithium Ion and Sodium Ion Batteries Using Synchrotron Radiation Techniques

توصيف مواد الكهربائي للبطاريات ليثيوم ايون وايون الصوديوم عن طريق تقنيات الإشعاع السنكروترون

Intercalation compounds such as transition metal oxides or phosphates are the most commonly used electrode materials in Li-ion and Na-ion batteries. ...

Characterization of Thermal Transport in One-dimensional Solid Materials

توصيف النقل الحراري في المواد الصلبة ذات بعد واحد

The TET (transient electro-thermal) technique is an effective approach developed to measure the thermal diffusivity of solid materials, including ...

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

In Situ Neutron Powder Diffraction Using Custom-made Lithium-ion Batteries

في الموقع النيوتروني مسحوق حيود عن طريق تفصيل بطاريات ليثيوم أيون

Li-ion batteries are widely used in portable electronic devices and are considered as promising candidates for higher-energy applications such as electric ...

Non-aqueous Electrode Processing and Construction of Lithium-ion Coin Cells

تجهيز الكهربائي غير مائي وبناء خلايا بطارية ليثيوم أيون كوين

Research into new and improved materials to be utilized in lithium-ion batteries (LIB) necessitates an experimental counterpart to any computational ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

الطباعة تصنيع السائبة متغاير الخلايا الشمسية و<em&gt; في الموقع</em&gt; الصرف توصيف

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Experimental Methodology for Estimation of Local Heat Fluxes and Burning Rates in Steady Laminar Boundary Layer Diffusion Flames

منهجية تجريبية لتقدير محلي الحرارة تدفقاتها وحرق الأسعار ثابتة رقائقي الحدود النيران انتشار طبقة

Modeling the realistic burning behavior of condensed-phase fuels has remained out of reach, in part because of an inability to resolve the complex ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

تركيز أيون شعاع تلفيق نانوباتيريس ليبون-على أساس الحالة الصلبة بطارية ليثيوم أيون للاختبار في الموقع

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

Experimental Procedure for Laboratory Studies of In Situ Burning : Flammability and Burning Efficiency of Crude Oil

الإجراء التجريبي للدراسات المختبرية لحرق في الموقع : القابلية للاشتعال وكفاءة حرق النفط الخام

A new method for the simultaneous study of the flammability and burning efficiency of fresh and weathered crude oil through two experimental laboratory ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

إعداد الخلية عمله ثلاثة-القطب وتحليلات اليكتروديبوسيشن لبطاريات الليثيوم أيون

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...