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

Denne undersøgelse støttes af UL Research Institutes. Alle battericeller i dette arbejde blev konditioneret og forberedt i professor Chris Yuans laboratorium ved Case Western Reserve University (CWRU). Testkammeret er udlånt til CWRU fra NASA Glenn Research Center. Vi modtog enorm støtte til FTIR-gasanalysatoren fra en tidligere ph.d.-studerende, Dr. Yumi Matsuyama ved CWRU, og teknisk support påH2-sensoren fra Jeff Tucker, Brandon Wicks og Brian Engle fra Amphenol Advanced Sensors. Vi sætter stor pris på støtten fra Pushkal Kannan og Boyu Wang hos CWRU. Vi vil også gerne anerkende de tekniske diskussioner med Alexandra Schraiber fra UL Solutions.

1. Opstart af FTIR-gasanalysatoren
BEMÆRK: Procedurerne kan være forskellige for forskellige mærker og modeller af FTIR-gasanalysatoren. Følgende procedure er for den specifikke gasanalysator, der anvendes i dette arbejde.
<ol><li>Installer et nyt filter eller et rent filter (dvs. et, der er blevet renset i et ultralydbad) i filteret/ventilenheden (se figur 1 og figur 2).</li>
	<li>Åbn ventilen på nitrogencyli...

<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>

De mest kritiske trin i protokollen er dem, der vedrører de giftige gasser, der frigives i LIB termisk løb. Lækagetesten i trin 3.11 skal udføres omhyggeligt for at sikre, at de giftige gasser er indesluttet i kammeret under forsøgene. Procedurerne for rensning af kammergas (trin 7.1-7.14) skal også udføres korrekt for at mindske faren fra de giftige gasser. Giftige gasser kan kun udgøre en lille brøkdel af udluftningsgassen under LIB termisk løb. Men selv meget lave koncentrationer af visse giftige gasser udg?...

I de sidste par årtier har lithium-ion-batterier (LIB'er) vundet popularitet og nydt godt af enorme teknologiske fremskridt. På grund af forskellige fordele (f.eks. Høj energitæthed, lav vedligeholdelse, lave selvafladnings- og opladningstider og lang levetid) er LIB blevet betragtet som en lovende energilagringsteknologi og anvendes i vid udstrækning i forskellige applikationer, såsom store energilagringssystemer (ESS'er), elektriske køretøjer (EV'er) og bærbare elektroniske enheder. Mens den globale efterspørgsel efter LIB-celler forventes at fordobles fra 725 GWh i 2020 til 1,500 GWh i 20301, har der været en betydelig stigning i brande og eksplosioner relateret til LIB'er i de senere år2. Disse ulykker viser de høje risici, der er forbundet med LIB'er, hvilket giver anledning til bekymring med hensyn til deres storstilede udnyttelse. For at afbøde disse bekymringer er det afgørende at få en grundig forståelse af processen med LIB termisk løb, der fører til brande.
Tidligere ulykker har afsløret, at LIB-celler fejler, når celleelektrokemien forstyrres af overophedning under unormale driftsforhold (såsom ekstern kortslutning, hurtig afladning, overopladning og fysisk skade) eller på grund af produktionsfejl og dårligt design 2,3,4. Disse begivenheder fører til nedbrydning af fast-elektrolytgrænsefladen (SEI), hvilket stimulerer stærkt eksoterme kemiske reaktioner mellem elektrodematerialer og elektrolytter. Når varmen, der produceres i disse reaktioner, overstiger den, der spredes, resulterer det i hurtig selvopvarmning af cellerne, også kendt som termisk løbsk. Den interne temperatur og det interne tryk kan fortsætte med at stige, indtil det opbyggede tryk får batteriet til at briste og frigive brandfarlige, giftige gasser ved høj hastighed. I en flercelle batterikonfiguration kan en termisk løbsk i en enkelt celle, hvis den ikke kontrolleres, føre til termisk løbsk udbredelse til andre celler og hændelser med brand og eksplosion på katastrofale niveauer, især i lukkede rum med begrænset ventilation. Dette udgør en betydelig trussel mod menneskers sikkerhed og strukturer.
I de sidste par årtier er der udført en række undersøgelser for at undersøge de termiske løbske reaktioner fra LIB'er, der fører til forbrænding af organiske elektrolytter inde i batteriet og frigivelse af brandfarlige gasser under forskellige opvarmningsforhold 2,5,6,7,8,9,10,11,12. For eksempel demonstrerede Jhu et al.10 den farlige karakter af ladede cylindriske LIB'er sammenlignet med uladede ved hjælp af et adiabatisk kalorimeter. Mange andre undersøgelser fokuserede på den termiske løbske opførsel af LIB'er ved forskellige ladningstilstande (SOC'er). For eksempel undersøgte Joshi et al.13 termisk løb af forskellige typer kommercielle LIB'er (cylindriske og pose) ved forskellige SOC'er. Det blev bemærket, at celler ved højere SOC'er havde en større chance for at gennemgå termisk løb sammenlignet med dem ved lavere SOC'er. Derudover varierede den minimale SOC for en termisk løbsk med celleformaterne og kemikalierne. Roth et al.11 testede cylindriske LIB'er i et accelererende hastighedskalorimeter (ARC) og observerede, at efterhånden som SOC steg, faldt begyndelsestemperaturen for termisk løb, og accelerationshastigheden steg. Golubkov et al.12 udviklede en specialdesignet teststand og viste, at den maksimale overfladetemperatur for cylindriske LIB'er kunne være så høj som 850 °C. Ribière et al.14 brugte et brandudbredelsesapparat til at undersøge de brandinducerede farer ved posens LIB'er og bemærkede, at varmefrigivelseshastigheden (HRR) og giftig gasproduktion varierede betydeligt med cellens SOC. Chen et al.15 studerede brandadfærden hos to forskellige 18650 LIB'er (LiCoO2 og LiFePO4) ved forskellige SOC'er, ved hjælp af et specialfremstillet in situ-kalorimeter. HRR, massetab og maksimal overfladetemperatur viste sig at stige med SOC. Det blev også demonstreret, at eksplosionsrisikoen var højere for en fuldt opladet lithiumkoboltoxid (LiCoO 2) katode 18650-celle sammenlignet med en lithiumjernphosphat (LiFePO2) katode 18650-celle. Fu et al.16 og Quang et al.17 udførte brandeksperimenter på LIB'er (ved 0% -100% SOC'er) ved hjælp af et keglekalorimeter. Det blev observeret, at LIB'er ved en højere SOC resulterede i højere brandfare på grund af kortere tid til antændelse og eksplosion, højere HRR, højere overfladetemperatur og højere CO og CO2 -emissioner.
For at opsummere har tidligere undersøgelser ved hjælp af forskellige kalorimetre18,19 (ARC, adiabatisk kalorimetri, C80-kalorimetri og modificeret bombekalorimetri) givet rigelige data om de elektrokemiske og termiske processer forbundet med LIB termisk løb og brande (f.eks. HRR, sammensætninger af de udluftede gasser) og deres afhængigheder af SOC, batterikemi og indfaldende varmeflux2,3, 7,20. Imidlertid blev de fleste af disse metoder oprindeligt designet til konventionelle faste brændbare stoffer (f.eks. celluloseprøver, plast) og giver begrænset information, når de anvendes på LIB-brande. Mens nogle tidligere tests målte HRR og den samlede energi, der blev genereret fra kemiske reaktioner, blev de kinetiske aspekter af posttermiske løbske brande ikke behandlet fuldt ud.
Farernes alvor under termisk løb afhænger hovedsagelig af arten og sammensætningen af de frigivne gasser 2,5. Derfor er det vigtigt at karakterisere de frigivne gasser, udluftningshastigheden og deres afhængighed af SOC. Nogle tidligere undersøgelser målte udluftningsgassammensætningerne af LIB termisk løb i et inert miljø (f.eks. i nitrogen eller argon)12,21,22; Brandkomponenten under termisk løb blev udelukket. Derudover blev disse målinger for det meste udført efter eksperimenter (i stedet for in situ). Udviklingen af udluftningsgassammensætningen under og efter termisk løb, især dem, der involverer brande og giftige gasser, forblev underudforsket.
Det er kendt, at termisk løb forstyrrer batteriets elektrokemi og påvirker cellespændingen og temperaturen. En omfattende test til karakterisering af LIB's termiske løbsproces bør derfor give samtidig måling af temperatur, masse, spænding og udluftede gasser (hastighed og sammensætning). Dette er ikke opnået i et enkelt setup i de tidligere undersøgelser. I denne undersøgelse udvikles et nyt apparat og testprotokol til at indsamle tidsopløste data om celleinformation, gassammensætninger og brandegenskaber under og posttermisk løb af LIB-celler23. Testapparaturet er vist i figur 1A. Et stort (~ 600 L) miljøkammer bruges til at begrænse den termiske løbske begivenhed. Kammeret er udstyret med en overtryksventil (med et indstillet måletryk ved 0,5 psig) for at forhindre trykstigning i kammeret. En Fourier-transformerende infrarød (FTIR) gasanalysator er forbundet til kammeret til in situ-gasprøveudtagning under hele testen. Det registrerer 21 gasarter (H 2 O, CO 2, CO, NO, NO2, N 2 O, SO 2, HCI, 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 4 O og COF 2). FTIR-samplingfrekvensen er 0,25 Hz. Derudover er en enkeltstående brintsensor installeret inde i kammeret nær FTIR-prøvetagningsporten til registrering afH2-koncentrationen. To pumper (en 1,3 cfm kemikaliebestandig membranpumpe og en 0,5 hk vakuumpumpe) er installeret i kammerets udstødningsledning. Efter hvert forsøg følges en kammerrensningsprocedure for at filtrere og pumpe kammergassen direkte til bygningens udstødningsledning.
I hvert forsøg opstilles cellen inde i kammeret i en prøveholder (figur 1B). Termisk løb udløses af et proportional-integral-derivat (PID) styret elektrisk varmebånd ved en konstant opvarmningshastighed på 10 °C / min. Celleoverfladetemperaturer registreres af termoelementer tre forskellige steder langs cellens længde. Massetabet af cellen måles ved en massebalance. Kammertrykket overvåges af en tryktransducer. Cellespændingen og strømindgangen (spænding og strøm) til varmebåndet registreres også. Alle sensoraflæsninger (termoelementer, massetab, cellespænding, varmebåndstrøm og spænding) indsamles af et brugerdefineret dataindsamlingsprogram med en hastighed på 2 Hz. Endelig bruges to videokameraer (1920 pixel x 1080 pixel opløsning) til at registrere hele processen med eksperimenterne fra to forskellige vinkler.
Formålet med at udvikle denne nye testmetode er todelt: 1) at karakterisere røg- og brandadfærd forbundet med LIB termisk løbsk og 2) at levere tidsopløste eksperimentelle data, der muliggør udvikling af numeriske modeller med høj validitet for batteribrande. Det langsigtede mål er at fremme forståelsen af, hvordan termisk løbsk formerer sig mellem celler i en batteripakke, og hvordan en batteribrand skaleres op, når man går fra enkeltceller til flercellebatterier. I sidste ende vil dette hjælpe med at forbedre retningslinjer og protokoller for sikker opbevaring og transport af LIB'er.

<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

Et eksperimentelt apparat og en standard driftsprocedure (SOP) er udviklet til at indsamle tidsopløste data om gassammensætninger og brandegenskaber under og posttermisk løb af lithium-ion-battericeller (LIB). En 18650 cylindrisk celle konditioneres til en ønsket ladningstilstand (SOC; 30%, 50%, 75% og 100%) før hvert eksperiment. Den konditionerede celle tvinges ind i en termisk løbsk af et elektrisk varmebånd med en konstant opvarmningshastighed (10 °C / min) i et miljøkammer (volumen: ~ 600 L). Kammeret er forbundet til en Fourier-transformerende infrarød (FTIR) gasanalysator til koncentrationsmålinger i realtid. To videokameraer bruges til at optage større begivenheder, såsom celleudluftning, termisk løbsk og den efterfølgende brændingsproces. Betingelserne for cellen, såsom overfladetemperatur, massetab og spænding, registreres også. Med de opnåede data kan cellepseudoegenskaber, udluftningsgassammensætninger og udluftningsmassehastighed udledes som funktioner af celletemperatur og celle SOC. Mens testproceduren er udviklet til en enkelt cylindrisk celle, kan den let udvides til at teste forskellige celleformater og studere brandudbredelse mellem flere celler. De indsamlede eksperimentelle data kan også bruges til udvikling af numeriske modeller for LIB-brande.

Videoer, der repræsenterer typiske termiske løbske processer med og uden brande, er inkluderet i henholdsvis supplerende fil 1 og supplerende fil 2. De vigtigste begivenheder er vist i figur 5. Når celletemperaturen hæves (til ~ 110-130 ° C), begynder cellen hævelse, hvilket indikerer opbygningen af det indre tryk (forårsaget af fordampning af elektrolytter og termisk ekspansion af gasser inde i cellen2). Dette efterfølges af ...

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

Her beskriver vi en testprocedure udviklet til at karakterisere termisk løbsk og brande i lithium-ion-celler gennem in situ-målinger af forskellige parametre i et miljøkammer.

In situ Gasanalyse og brandkarakterisering af lithium-ion-celler under termisk løb ved hjælp af et miljøkammer

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

Termisk løb i lithium-ion-batterier opstår på grund af flere årsager, hvilket også kan resultere i meget forskellige værste tilfælde. I denne metode forsøger vi at simulere en katastrofal fare i en enkelt celle, og protokollen har vist sig at give konsistens i resultaterne til simulering af den type fare, vi ønsker at skabe. Den største fordel ved denne testprocedure er, at den måler forskellige parametre in situ i en enkelt test.Tidsresultatdataene karakteriserer omfattende den forbigående begivenhed af lithium-ion-batteri, termisk løb og brande. Dette eksperiment kræver en synkronisering af dataindsamling fra mange sensorer, FDIR og videooptagelse. Operatøren skal følge standardproceduren for at betjene flere enheder trin for trin korrekt.Dette sikrer vellykkede eksperimenter med ensartede resultater og uden potentielle farer for personale og udstyr. Demonstration af proceduren vil være Pushkal Kannan, en PD-studerende, og Dr.Ankit Sharma, en postdoktoral forsker fra mit laboratorium. For at begynde skal du installere et nyt eller rent filter i filterventilenheden.Åbn ventilen på nitrogencylinderen, der er tilsluttet gasanalysatoren, og juster nitrogenstrømningshastigheden til 150 til 250 kubikcentimeter pr. Minut. Med et cellepræparat måles cellens indledende spænding og masse med en præcision på 0,01 gram, og registrer dem på eksperimentets logark. Fastgør et varmebånd til midten af cellen.Sørg for, at varmebåndets ledninger peger mod den negative side af cellen. Tag et billede af cellen med båndet. Fastgør tre termoelementer til celleoverfladen, en nær den positive terminal, en i midten og en i bunden nær cellens negative terminal ved hjælp af tape med høj temperatur.Brug termoelementet nær den positive terminal til at styre opvarmningshastigheden gennem det proportionale integralderivat eller PID. Alle tre termoelementer skal placeres fem millimeter væk fra kanten af varmebåndet. Tag et billede af cellen med en lineal for at bekræfte afstanden fra varmebåndet.Punktsvejs nikkeltappe til cellens positive og negative terminaler til cellespændingsmålingen, og læg derefter cellen på celleholderen. Placer cellen og celleholderen på massebalancen i kammeret. Tilslut termoelementstikkene, varmebåndet og nikkeltapperne til kammertilførselspropperne og ledningerne.Tænd PID-controlleren til varmebåndet, og indstil varmeprofilen. Tilslut kablerne til PID-controlleren, dataindsamling og massebalancen til en bærbar computer, og start dataindsamlingsprogrammet på den bærbare computer. Sørg for, at alle sensoraflæsninger, der vises i dataindsamlingsprogrammet, er rimelige.Når du har kontrolleret målingerne, skal du slukke for dataindsamlingsprogrammet. Juster videokameraets indstillinger forfra og fra siden, manuel hvidbalance, manuel fokus, automatisk eksponering, automatisk iris og automatisk lukkerhastighed. Sørg for, at videokameraets batteri er fuldt.Placer videokameraet på forsiden på et stativ uden for kammeret, start optagelsen på videokameraet set fra siden, og placer det i en beskyttelsesboks i kammeret. Når du har kontrolleret videokameraets vinkel og visning fra siden, skal du låse beskyttelsesboksen. Luk kammeret, og sørg for, at alle skruerne på dækpladerne er tæt fastgjort.Brug vakuum- eller membranpumpen til at foretage en lækagekontrol, og skift FTIR-indtaget fra den omgivende luft til kammeret. Tilslut derefter FTIR-returledningen til kammeret. Indstil PID-controlleren til rampeblødgøringstilstand, og sluk lyset i rummet og LED-lyset i kammeret.Start videokameraoptagelsen, og optag derefter følgende startproces for at synkronisere dataindsamling og videooptagelse. Start dataoptagelsen og dataindsamlingsprogrammet på den bærbare computer. Start PID-rampens blødgøringstilstand efter 10 sekunder på dataopsamlingsprogramtimeren, tænd kammerets LED-lys, og start FTIR-optagelsen.Placer videokameraet forfra på stativet, og fortsæt optagelsen af eksperimentet. Flyt til et andet rum, og fortsæt med at overvåge dataindsamlingspanelet på den bærbare computer via et fjernstyret skrivebordsprogram. Når termisk løb opstår, eller efter at PID-controlleren har opretholdt celletemperaturen på 200 grader Celsius i 60 minutter, skal du slukke for strømmen til varmebåndet og indstille PID-controlleren til standbytilstand.Afslut eksperimentet og dataregistreringen, når alle tre termoelementaflæsninger bliver lavere end 40 grader Celsius. Rens FTIR-gasanalysatoren med nitrogen for at rense røret i analysatoren i ca. 15 minutter. Efter rensning skal du stoppe FTIR-målingen.Før støvsugningsproceduren for kammerrensning skal du kontrollere, om FTIR-prøvetagningsindtagsledningen er lukket eller åben for den omgivende luft. Vælg omgivende luft på Protea Analyzer-softwaren eller PAS-Pro-softwaren, eller luk FTIR helt. Åbn ventil en for at forberede delvis støvsugning af kammeret ved hjælp af den kemikalieresistente membranpumpe, og kør membranpumpen, indtil kammertrykket falder til 9,7 pund pr. Kvadrattomme absolut.Sluk membranpumpen, og luk ventil en, og åbn derefter ventil tre for at fylde kammeret med omgivende luft. Luk ventil tre, når kammertrykket genoprettes til det omgivende tryk. Efter at have sænket koncentrationen af giftige gasser ved delvis støvsugning af kammeret med membranpumpen, skal du køre en roterende venepumpe, indtil kammertrykket falder til 4,7 pund pr. Kvadrattomme absolut for at fjerne resten af de giftige gasser.Åbn kammeret, og hent videokameraet og cellen. Tag billeder før, under og efter at have taget cellen af celleholderen. Vej cellen, og registrer cellens masse efter testen.Endelig skal du efterbehandle de indsamlede data og generere plots for at visualisere tidsudviklingen for alle målinger. Celletemperatur- og massetabsdata opnået for en 18650 cylindrisk celle ved 75% ladningstilstand er vist i denne figur. Massetabet indikerer to forskellige gasfrigivelsesperioder, den ene under celleudluftning og den anden under termisk løb.Koncentrationerne af de vigtigste arter af kulbrinter og giftige gasser er vist her. Den optagede strøm og spænding, der leveres til varmebåndet, kan bruges til at beregne strømindgangen til cellen. De repræsentative data for spænding og strøm, der leveres til varmebåndet, og beregnet energi og effekt, der leveres til varmebåndet, præsenteres her.Den vigtigste faktor her er at sikre sikkerheden under og efter hvert eksperiment. Forsøget skal forhindre en ekstern kortslutning af prøverummet. Og de andre kritiske faktorer bekræfter, at cellens SoC og opvarmningshastighederne verificeres for at være korrekte før testen.Det er også vigtigt at forsegle kammeret fuldstændigt for at begrænse udstødningen af giftige gasser og følge oprydningsproceduren nøjagtigt for at fjerne gasserne på en sikker måde. Testproceduren kan udvides til at studere brandanvendelse i forskellige celleformater og moduler, hvilket fremmer vores forståelse af termisk løbsk og batteribrandskalering i flercellebatterier. De omfattende tidsresultatdata, der indsamles i denne testprocedure, muliggør udvikling af fremtidige modeller og teorier om lithium-ion-batterier.Det vil også hjælpe med at forstå, hvordan batteribrand skaleres op.

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

Konstruktion og prøvning af Coin celler af lithium-ion batterier

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

Karakterisering af elektrode materialer til lithium-ion og natrium ion-batterier Brug synkrotronstråling Techniques

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

Karakterisering af termisk transport i én-dimensionelle faste materialer

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

In Situ Neutron pulverdiffraktion Brug Skræddersyede lithium-ion batterier

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

Ikke-vandig Elektrode Behandling og konstruktion af lithium-ion-Coin celler

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

Udskrivning Fabrikation af Bulk heterojunction solceller og<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologi Karakterisering

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

Eksperimentel Metode til Vurdering af lokal varme strømme og Burning priser i Steady Laminar grænselag Diffusion Flames

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

Fokuseret Ion Beam fabrikation af LiPON-baseret Solid-state Lithium-ion Nanobatteries til In Situ test

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

Eksperimentel Procedure for laboratorieundersøgelser af In Situ brændende: brændbarhed og brændende effektivitet af råolie

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

Tre-elektrode mønt celle forberedelse og Electrodeposition Analytics til Lithium-ion-batterier

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