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
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Cette étude est soutenue par les instituts de recherche UL. Toutes les cellules de batterie de ce travail ont été conditionnées et préparées dans le laboratoire du professeur Chris Yuan à la Case Western Reserve University (CWRU). La chambre d’essai est prêtée à CWRU par le Glenn Research Center de la NASA. Nous avons reçu un soutien considérable sur l’analyseur de gaz FTIR de la part d’un ancien doctorant, le Dr Yumi Matsuyama de CWRU, et un soutien technique sur le capteur H2 de Jeff Tucker, Brandon Wicks et Brian Engle d’Amphenol Advanced Sensors. Nous apprécions sincèrement le soutien de Pushkal Kannan et Boyu Wang de CWRU. Nous tenons également à souligner les discussions techniques avec Alexandra Schraiber d’UL Solutions.

1. Démarrage de l’analyseur de gaz FTIR
REMARQUE: Les procédures peuvent être différentes pour différentes marques et modèles de l’analyseur de gaz FTIR. La procédure suivante concerne l’analyseur de gaz spécifique utilisé dans ce travail.
<ol><li>Installez un nouveau filtre ou un filtre propre (c.-à-d. un filtre qui a été nettoyé dans un bain à ultrasons) dans le filtre/vanne (voir la figure 1 et la figu...

<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>

Les étapes les plus critiques du protocole sont celles concernant les gaz toxiques libérés dans l’emballement thermique LIB. L’essai d’étanchéité de l’étape 3.11 doit être effectué avec soin pour s’assurer que les gaz toxiques sont confinés dans la chambre pendant les expériences. Les procédures d’épuration des gaz de la chambre (étapes 7.1 à 7.14) doivent également être effectuées correctement pour atténuer le danger lié aux gaz toxiques. Les gaz toxiques peuvent ne constituer qu’une pe...

Au cours des dernières décennies, les batteries lithium-ion (LIB) ont gagné en popularité et ont bénéficié d’énormes progrès technologiques. En raison de divers avantages (par exemple, densité d’énergie élevée, faible entretien, faibles temps d’autodécharge et de charge, et longue durée de vie), le LIB a été considéré comme une technologie de stockage d’énergie prometteuse et largement utilisé dans diverses applications, telles que les grands systèmes de stockage d’énergie (ESS), les véhicules électriques (VE) et les appareils électroniques portables. Alors que la demande mondiale de cellules LIB devrait doubler, passant de 725 GWh en 2020 à 1 500 GWh en 20301, il y a eu une augmentation substantielle des incendies et des explosions liés aux LIBs au cours des dernières années2. Ces accidents démontrent les risques élevés associés aux LIB, ce qui soulève des inquiétudes quant à leur utilisation à grande échelle. Pour atténuer ces préoccupations, il est essentiel d’acquérir une compréhension approfondie du processus d’emballement thermique LIB conduisant à des incendies.
Des accidents antérieurs ont révélé que les cellules LIB échouent lorsque l’électrochimie de la cellule est perturbée par une surchauffe dans des conditions de fonctionnement anormales (tels qu’un court-circuit externe, une décharge rapide, une surcharge et des dommages physiques) ou en raison de défauts de fabrication et d’une mauvaise conception 2,3,4. Ces événements conduisent à la décomposition de l’interface solide-électrolyte (SEI), stimulant des réactions chimiques hautement exothermiques entre les matériaux d’électrode et les électrolytes. Lorsque la chaleur produite dans ces réactions dépasse celle dissipée, il en résulte un auto-échauffement rapide des cellules, également connu sous le nom d’emballement thermique. La température et la pression internes peuvent continuer à augmenter jusqu’à ce que la pression accumulée provoque la rupture de la batterie et libère des gaz toxiques inflammables à grande vitesse. Dans une configuration de batterie à plusieurs cellules, un emballement thermique dans une seule cellule, s’il n’est pas contrôlé, peut entraîner une propagation de l’emballement thermique vers d’autres cellules et des incidents d’incendie et d’explosion à des niveaux catastrophiques, en particulier dans les espaces clos avec une ventilation limitée. Cela pose des menaces importantes pour la sécurité humaine et les structures.
Au cours des dernières décennies, un certain nombre d’études ont été menées pour étudier les réactions d’emballement thermique des LIBs conduisant à la combustion d’électrolytes organiques à l’intérieur de la batterie et à la libération de gaz inflammables dans différentes conditions de chauffage 2,5,6,7,8,9,10,11,12. Par exemple, Jhu et al.10 ont démontré la nature dangereuse des LIBs cylindriques chargées par rapport aux LIBs non chargées utilisant un calorimètre adiabatique. De nombreuses autres études se sont concentrées sur le comportement d’emballement thermique des LIBs à différents états de charge (SOC). Par exemple, Joshi et coll.13 ont étudié l’emballement thermique de divers types de LIBs commerciales (cylindriques et de poches) dans différents SOC. Il a été remarqué que les cellules des SOC plus élevés avaient plus de chances de subir un emballement thermique par rapport à celles des SOC inférieurs. En outre, le SOC minimum pour qu’un emballement thermique se produise variait selon les formats de cellules et les chimies. Roth et al.11 ont testé des LIBs cylindriques dans un calorimètre à vitesse d’accélération (ARC) et ont observé que, lorsque le SOC augmentait, la température d’apparition de l’emballement thermique diminuait et le taux d’accélération augmentait. Golubkov et al.12 ont développé un banc d’essai conçu sur mesure et ont montré que la température de surface maximale des LIBs cylindriques pouvait atteindre 850 °C. Ribière et al.14 ont utilisé un appareil de propagation du feu pour étudier les dangers induits par l’incendie des LIBs de poche et ont remarqué que le taux de dégagement de chaleur (HRR) et la production de gaz toxiques variaient considérablement avec le SOC de la cellule. Chen et al.15 ont étudié les comportements au feu de deux LIBs 18650 différentes (LiCoO2 et LiFePO4) dans différents SOC, à l’aide d’un calorimètre in situ sur mesure. On a constaté que le HRR, la perte de masse et la température de surface maximale augmentaient avec le SOC. Il a également été démontré que le risque d’explosion était plus élevé pour une cellule à cathode 18650 à oxyde de lithium-cobalt (LiCoO 2) complètement chargée que pour une cellule 18650 à cathode de phosphate de fer lithium (LiFePO2). Fu et al.16 et Quang et al.17 ont mené des expériences de feu sur des LIBs (à 0%-100% SOC) à l’aide d’un calorimètre à cône. Il a été observé que les LIBs à un SOC plus élevé entraînaient des risques d’incendie plus élevés en raison de durées plus courtes avant l’allumage et l’explosion, d’un HRR plus élevé, d’une température de surface plus élevée et d’émissions plus élevées de CO et de CO2.
Pour résumer, des études antérieures utilisant différents calorimètres18,19 (ARC, calorimétrie adiabatique, calorimétrie C80 et calorimétrie de bombe modifiée) ont fourni des données abondantes sur les processus électrochimiques et thermiques associés à l’emballement thermique LIB et aux incendies (par exemple, HRR, compositions des gaz évacués) et leurs dépendances au SOC , à la chimie de la batterie et au flux de chaleur incident2,3, 7,20. Cependant, la plupart de ces méthodes ont été conçues à l’origine pour les combustibles solides classiques (p. ex. échantillons de cellulose, plastique) et fournissent peu d’information lorsqu’elles sont appliquées aux feux LIB. Bien que certains essais antérieurs aient mesuré le HRR et l’énergie totale générée par les réactions chimiques, les aspects cinétiques des incendies postthermiques n’ont pas été entièrement pris en compte.
La gravité des dangers lors de l’emballement thermique dépend principalement de la nature et de la composition des gaz libérés 2,5. Par conséquent, il est important de caractériser les gaz libérés, le taux de ventilation et leur dépendance au SOC. Certaines études antérieures ont mesuré la composition des gaz d’évent de l’emballement thermique LIB dans un environnement inerte (p. ex. dans l’azote ou l’argon)12,21,22; La composante incendie pendant l’emballement thermique a été exclue. De plus, ces mesures ont été principalement effectuées après les expériences (plutôt que sur place). Les évolutions de la composition des gaz d’évent pendant et après l’emballement thermique, en particulier celles impliquant des incendies et des gaz toxiques, sont restées sous-explorées.
On sait que l’emballement thermique perturbe l’électrochimie de la batterie et impacte la tension et la température de la cellule. Un essai complet pour caractériser le processus d’emballement thermique du LIB devrait donc fournir une mesure simultanée de la température, de la masse, de la tension et des gaz évacués (vitesse et composition). Cela n’a pas été réalisé en une seule configuration dans les études précédentes. Dans cette étude, un nouvel appareil et un nouveau protocole d’essai sont développés pour recueillir des données résolues dans le temps sur les informations sur les cellules, les compositions de gaz et les caractéristiques du feu pendant et après l’emballement thermique des cellules LIB23. L’appareillage d’essai est représenté à la figure 1A. Une grande chambre environnementale (~600 L) est utilisée pour limiter l’emballement thermique. La chambre est équipée d’une soupape de surpression (avec une pression manométrique réglée à 0,5 psig) pour empêcher l’augmentation de pression dans la chambre. Un analyseur de gaz infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) est connecté à la chambre pour l’échantillonnage in situ des gaz tout au long de l’essai. Il détecte 21 espèces de gaz (H2O, CO 2, CO, NO, NO 2, N2O,SO2, HCl, HCN, HBr, HF,NH3, C2H4,C2H6,C3H8,C 6H14, CH4, HCHO, C 6 H6O, C3H4O et COF 2). La fréquence d’échantillonnage FTIR est de 0,25 Hz. De plus, un capteur d’hydrogène autonome est installé à l’intérieur de la chambre près de l’orifice de prélèvement FTIR pour enregistrer la concentration deH2. Deux pompes (une pompe à membrane résistante aux produits chimiques de 1,3 cfm et une pompe à vide de 0,5 CV) sont installées dans la conduite d’échappement de la chambre. Après chaque expérience, une procédure de nettoyage de la chambre est suivie pour filtrer et pomper le gaz de la chambre directement vers la conduite d’échappement du bâtiment.
Dans chaque expérience, la cellule est installée à l’intérieur de la chambre dans un porte-échantillon (Figure 1B). L’emballement thermique est déclenché par un ruban chauffant électrique contrôlé par un dérivé intégral proportionnel (PID) à une vitesse de chauffage constante de 10 °C/min. Les températures de surface des cellules sont enregistrées par des thermocouples à trois endroits différents le long de la cellule. La perte de masse de la cellule est mesurée par un bilan massique. La pression de la chambre est surveillée par un transducteur de pression. La tension de la cellule et l’entrée de puissance (tension et courant) dans la bande chauffante sont également enregistrées. Toutes les lectures de capteurs (thermocouples, perte de masse, tension de cellule, courant de bande chauffante et tension) sont collectées par un programme d’acquisition de données personnalisé à une fréquence de 2 Hz. Enfin, deux caméscopes (résolution de 1920 pixels x 1080 pixels) sont utilisés pour enregistrer l’ensemble du processus des expériences sous deux angles différents.
L’objectif du développement de cette nouvelle méthode d’essai est double : 1) caractériser les comportements de fumée et de feu associés à l’emballement thermique LIB et 2) fournir des données expérimentales résolues dans le temps qui permettent le développement de modèles numériques à haute validité pour les incendies de batteries. L’objectif à long terme est de faire progresser la compréhension de la façon dont l’emballement thermique se propage entre les cellules d’une batterie et comment un incendie de batterie s’intensifie lorsqu’il passe de cellules simples à des batteries multi-cellules. En fin de compte, cela contribuera à améliorer les lignes directrices et les protocoles pour le stockage et le transport des LIBs en toute sécurité.

<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

Un appareil expérimental et une procédure opérationnelle normalisée (SOP) sont développés pour recueillir des données résolues dans le temps sur les compositions de gaz et les caractéristiques du feu pendant et après l’emballement thermique des cellules de batterie lithium-ion (LIB). Une cellule cylindrique 18650 est conditionnée à un état de charge souhaité (SOC; 30%, 50%, 75% et 100%) avant chaque expérience. La cellule conditionnée est forcée dans un emballement thermique par un ruban chauffant électrique à une vitesse de chauffage constante (10 °C/min) dans une chambre environnementale (volume : ~600 L). La chambre est connectée à un analyseur de gaz infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) pour des mesures de concentration en temps réel. Deux caméscopes sont utilisés pour enregistrer les événements majeurs, tels que la ventilation des cellules, l’emballement thermique et le processus de combustion ultérieur. Les conditions de la cellule, telles que la température de surface, la perte de masse et la tension, sont également enregistrées. Avec les données obtenues, les pseudo-propriétés cellulaires, les compositions de gaz d’évacuation et le débit de masse d’évacuation peuvent être déduits en fonction de la température de la cellule et du SOC cellulaire. Bien que la procédure d’essai soit développée pour une seule cellule cylindrique, elle peut être facilement étendue pour tester différents formats de cellules et étudier la propagation du feu entre plusieurs cellules. Les données expérimentales recueillies peuvent également être utilisées pour le développement de modèles numériques pour les incendies LIB.

Des vidéos représentant des processus d’emballement thermique typiques avec et sans incendies sont incluses dans le fichier supplémentaire 1 et le fichier supplémentaire 2, respectivement. Les événements clés sont illustrés à la figure 5. Lorsque la température de la cellule est élevée (à ~110-130 °C), la cellule commence à gonfler, indiquant l’accumulation de la pression interne (causée par la vaporisation des électrolytes et la dilatat...

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

Ici, nous décrivons une procédure d’essai développée pour caractériser l’emballement thermique et les incendies dans les cellules lithium-ion grâce à des mesures in situ de divers paramètres dans une chambre environnementale.

In situ Analyse des gaz et caractérisation au feu des cellules lithium-ion pendant l’emballement thermique à l’aide d’une chambre environnementale

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

L’emballement thermique dans les batteries lithium-ion se produit en raison de plusieurs causes, ce qui peut également entraîner des résultats très différents dans le pire des cas. Dans cette méthode, nous essayons de simuler un risque catastrophique dans une seule cellule, et il a été démontré que le protocole fournit une cohérence dans les résultats pour la simulation du type de danger que nous voulons créer. Le principal avantage de cette procédure d’essai est qu’elle mesure différents paramètres in situ en un seul essai.Les données sur les résultats temporels caractérisent de manière exhaustive l’événement transitoire de l’emballement thermique et des incendies de batteries lithium-ion. Cette expérience nécessite une synchronisation de l’acquisition de données à partir de nombreux capteurs, FDIR et enregistrement vidéo. L’opérateur doit suivre la procédure d’exploitation standard pour utiliser correctement plusieurs appareils étape par étape.Cela garantit le succès des expériences avec des résultats cohérents et sans risques potentiels pour le personnel et les appareils. Pushkal Kannan, un étudiant en perfectionnement professionnel, et le Dr Ankit Sharma, chercheur postdoctoral de mon laboratoire, feront la démonstration de la procédure. Pour commencer, installez un filtre neuf ou propre dans l’unité de vanne filtrante.Ouvrez la vanne de la bouteille d’azote connectée à l’analyseur de gaz et réglez le débit d’azote à 150 à 250 centimètres cubes par minute. Avec une préparation de cellule, mesurez la tension et la masse initiales de la cellule avec une précision de 0,01 gramme et enregistrez-les sur la feuille de bord de l’expérience. Fixez un ruban chauffant au centre de la cellule.Assurez-vous que les fils du ruban chauffant pointent vers le côté négatif de la cellule. Prenez une photo de la cellule avec la bande. Fixez trois thermocouples à la surface de la cellule, un près de la borne positive, un au milieu et un en bas près de la borne négative de la cellule à l’aide d’un ruban résistant aux hautes températures.Utilisez le thermocouple près de la borne positive pour contrôler la vitesse de chauffage par la dérivée intégrale proportionnelle, ou PID. Les trois thermocouples doivent être situés à cinq millimètres du bord du ruban chauffant. Prenez une photo de la cellule avec une règle pour confirmer la distance du ruban chauffant.Soudez par points les languettes de nickel aux bornes positives et négatives de la cellule pour la mesure de la tension de la cellule, puis chargez la cellule sur le support de cellule. Placez la cellule et le support de cellule sur le bilan massique dans la chambre. Connectez les connecteurs du thermocouple, le ruban chauffant et les languettes en nickel aux fiches et aux fils d’alimentation de la chambre.Mettez sous tension le contrôleur PID du ruban chauffant et configurez le profil chauffant. Connectez les câbles du contrôleur PID, de l’acquisition de données et de la balance de masse à un ordinateur portable, puis démarrez le programme d’acquisition de données sur l’ordinateur portable. Assurez-vous que toutes les lectures de capteurs indiquées dans le programme d’acquisition de données sont raisonnables.Après avoir vérifié les mesures, désactivez le programme d’acquisition de données. Ajustez les paramètres du caméscope à vue avant et latérale, la balance des blancs manuelle, la mise au point manuelle, l’exposition automatique, l’iris automatique et la vitesse d’obturation automatique. Assurez-vous que la batterie du caméscope est pleine.Placez le caméscope de vue avant sur un trépied à l’extérieur de la chambre, commencez à enregistrer sur le caméscope de vision latérale et placez-le dans un boîtier de protection dans la chambre. Après avoir vérifié l’angle et la vue latérale du caméscope, verrouillez le boîtier de protection. Fermez la chambre et assurez-vous que toutes les vis sur les plaques de couvercle sont bien fixées.Utilisez la pompe à vide ou à membrane pour effectuer une vérification des fuites et changez l’admission FTIR de l’air ambiant à la chambre. Ensuite, connectez la ligne de retour FTIR à la chambre. Réglez le contrôleur PID en mode de trempage rampe et éteignez la lumière dans la pièce et la lumière LED dans la chambre.Démarrez l’enregistrement du caméscope en vue avant, puis enregistrez le processus de démarrage suivant pour synchroniser l’acquisition de données et l’enregistrement vidéo. Démarrez l’enregistrement des données et le programme d’acquisition de données sur l’ordinateur portable. Démarrez le mode de trempage de la rampe PID à 10 secondes sur la minuterie du programme d’acquisition de données, allumez le voyant LED de la chambre et démarrez l’enregistrement FTIR.Positionnez le caméscope de vue avant sur le trépied et continuez à enregistrer l’expérience. Déplacez-vous dans une autre pièce et continuez à surveiller le panneau d’acquisition de données sur l’ordinateur portable via un programme de bureau télécommandé. En cas d’emballement thermique ou après que le contrôleur PID a maintenu la température de la cellule à 200 degrés Celsius pendant 60 minutes, coupez l’alimentation du ruban chauffant et réglez le contrôleur PID en mode veille.Terminez l’expérience et l’enregistrement des données lorsque les trois lectures de thermocouples deviennent inférieures à 40 degrés Celsius. Purgez l’analyseur de gaz FTIR avec de l’azote pour nettoyer le tube dans l’analyseur pendant environ 15 minutes. Après la purge, arrêtez la mesure FTIR.Avant la procédure d’aspiration de nettoyage de la chambre, vérifier si la conduite d’admission de prélèvement FTIR est fermée ou ouverte à l’air ambiant. Sélectionnez l’air ambiant sur le logiciel Protea Analyser ou le logiciel PAS-Pro, ou éteignez complètement le FTIR. Ouvrez la première vanne pour préparer l’aspiration partielle de la chambre à l’aide de la pompe à membrane résistante aux produits chimiques et faites fonctionner la pompe à membrane jusqu’à ce que la pression de la chambre tombe à 9,7 livres par pouce carré absolu.Éteignez la pompe à membrane et fermez la vanne une, puis ouvrez la vanne trois pour remplir la chambre d’air ambiant. Fermer la vanne trois lorsque la pression de la chambre revient à la pression ambiante. Après avoir abaissé la concentration de gaz toxiques en aspirant partiellement la chambre avec la pompe à membrane, faites fonctionner une pompe à veines rotatives jusqu’à ce que la pression de la chambre tombe à 4,7 livres par pouce carré absolu pour éliminer le reste des gaz toxiques.Ouvrez la chambre et récupérez le caméscope et la cellule. Prenez des photos avant, pendant et après avoir retiré la cellule du porte-cellule. Pesez la cellule et notez la masse post-test de la cellule.Enfin, post-traiter les données collectées, et générer des tracés pour visualiser l’évolution temporelle de toutes les mesures. Les données de température et de perte de masse de la cellule obtenues pour une cellule cylindrique 18650 à un état de charge de 75% sont indiquées dans cette figure. La perte de masse indique deux périodes de libération de gaz distinctes, l’une pendant la ventilation de la cellule et l’autre pendant l’emballement thermique.Les concentrations des principales espèces d’hydrocarbures et de gaz toxiques sont indiquées ici. Le courant et la tension enregistrés fournis à la bande chauffante peuvent être utilisés pour calculer la puissance d’entrée de la cellule. Les données représentatives de la tension et du courant fournis au ruban chauffant et de l’énergie et de la puissance calculées fournies au ruban chauffant sont présentées ici.Le facteur le plus important ici est d’assurer la sécurité pendant et après chaque expérience. L’expérience doit éviter un court-circuit externe de la cellule d’essai. Et les autres facteurs critiques confirment que le SoC de la cellule et les vitesses de chauffage sont vérifiés pour être corrects avant le test.Il est également essentiel de sceller complètement la chambre pour confiner les gaz d’échappement toxiques et de suivre la procédure de nettoyage à la lettre pour éliminer les gaz de manière sûre. La procédure de test peut être étendue pour étudier l’application du feu dans différents formats et modules de cellules, faisant progresser notre compréhension de l’emballement thermique et de la mise à l’échelle du feu des batteries dans les batteries multi-cellules. Les données complètes sur les résultats temporels recueillies dans cette procédure de test permettent le développement de futurs modèles et théories des batteries lithium-ion.Cela aidera également à comprendre comment le feu de batterie s’intensifie.

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Engineering

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