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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Este estudo é apoiado pelos Institutos de Pesquisa da UL. Todas as células de bateria neste trabalho foram condicionadas e preparadas no laboratório do Prof. Chris Yuan na Case Western Reserve University (CWRU). A câmara de teste está emprestada ao CWRU pelo Glenn Research Center da NASA. Recebemos um tremendo apoio no analisador de gás FTIR de um ex-aluno de doutorado, Dr. Yumi Matsuyama na CWRU, e suporte técnico no sensor H2 de Jeff Tucker, Brandon Wicks e Brian Engle da Amphenol Advanced Sensors. Agradecemos sinceramente o apoio de Pushkal Kannan e Boyu Wang na CWRU. Também gostaríamos de agradecer as discussões técnicas com Alexandra Schraiber da UL Solutions.

1. Partida do analisador de gás FTIR
NOTA: Os procedimentos podem ser diferentes para diferentes marcas e modelos do analisador de gás FTIR. O procedimento a seguir é para o analisador de gases específico utilizado neste trabalho.
<ol><li>Instale um novo filtro ou um filtro limpo (ou seja, que tenha sido limpo em um banho ultrassônico) na unidade de filtro/válvula (consulte a Figura 1 e a Figura 2).</li>
	<li>...

<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>

As etapas mais críticas do protocolo são as relativas aos gases tóxicos liberados na fuga térmica LIB. O ensaio de estanqueidade na etapa 3.11 deve ser cuidadosamente realizado para garantir que os gases tóxicos sejam confinados na câmara durante os experimentos. Os procedimentos de limpeza de gases da câmara (etapas 7.1-7.14) também devem ser feitos adequadamente para mitigar o perigo dos gases tóxicos. Os gases tóxicos podem constituir apenas uma pequena fração do gás de ventilação durante o escoamento t...

Nas últimas décadas, as baterias de íons de lítio (LIBs) ganharam popularidade e se beneficiaram de enormes avanços tecnológicos. Devido a várias vantagens (por exemplo, alta densidade de energia, baixa manutenção, baixos tempos de autodescarga e carga e longa vida útil), o LIB tem sido considerado uma tecnologia promissora de armazenamento de energia e amplamente utilizado em várias aplicações, como grandes sistemas de armazenamento de energia (ESSs), veículos elétricos (EVs) e dispositivos eletrônicos portáteis. Embora a demanda global por células LIB deva dobrar de 725 GWh em 2020 para 1.500 GWh em 20301, houve um aumento substancial de incêndios e explosões relacionados a LIBs nos últimos anos2. Esses acidentes demonstram os altos riscos associados às LIBs, levantando preocupações quanto à sua utilização em larga escala. Para mitigar essas preocupações, é crucial obter uma compreensão completa do processo de fuga térmica LIB que leva a incêndios.
Acidentes anteriores revelaram que as células LIB falham quando a eletroquímica da célula é interrompida por superaquecimento em circunstâncias operacionais anormais (como curto-circuito externo, descarga rápida, sobrecarga e danos físicos) ou devido a defeitos de fabricação e projeto inadequado 2,3,4. Esses eventos levam à decomposição da interface sólido-eletrólito (SEI), estimulando reações químicas altamente exotérmicas entre materiais eletrodos e eletrólitos. Quando o calor produzido nessas reações excede o que está sendo dissipado, resulta em rápido autoaquecimento das células, também conhecido como fuga térmica. A temperatura e a pressão internas podem continuar subindo até que a pressão acumulada faça com que a bateria se rompa e libere gases inflamáveis e tóxicos em alta velocidade. Em uma configuração de bateria de várias células, uma fuga térmica em uma única célula, se não for controlada, pode levar à propagação de fuga térmica para outras células e incidentes de incêndio e explosão em níveis catastróficos, especialmente em espaços fechados com ventilação limitada. Isso representa ameaças significativas à segurança e às estruturas humanas.
Nas últimas décadas, vários estudos têm sido realizados para investigar as reações de fuga térmica de LIBs levando à combustão de eletrólitos orgânicos no interior da bateria e à liberação de gases inflamáveis sob diferentes condições de aquecimento2,5,6,7,8,9,10,11,12. Por exemplo, Jhu et al.10 demonstraram a natureza perigosa das LIBs cilíndricas carregadas em comparação com as não carregadas usando um calorímetro adiabático. Muitos outros estudos se concentraram no comportamento de fuga térmica de LIBs em diferentes estados de carga (SOCs). Por exemplo, Joshi et al.13 investigaram a fuga térmica de vários tipos de LIBs comerciais (cilíndricas e bolsas) em diferentes SOCs. Observou-se que as células com SOCs mais altos tiveram maior chance de sofrer fuga térmica em comparação com aquelas com SOCs mais baixas. Além disso, o SOC mínimo para que uma fuga térmica ocorra variou com os formatos de células e químicas. Roth et al.11 testaram LIBs cilíndricas em um calorímetro de velocidade acelerada (ARC) e observaram que, à medida que o COS aumentava, a temperatura de início da fuga térmica diminuía e a taxa de aceleração aumentava. Golubkov et al.12 desenvolveram uma bancada de teste personalizada e mostraram que a temperatura máxima da superfície das LIBs cilíndricas pode chegar a 850 °C. Ribière et al.14 utilizaram um aparelho de propagação do fogo para investigar os riscos induzidos pelo fogo de LIBs de bolsa e observaram que a taxa de liberação de calor (HRR) e a produção de gases tóxicos variaram significativamente com o SOC celular. usando um calorímetro in situ feito sob medida. A FCR, a perda de massa e a temperatura superficial máxima aumentaram com o SOC. Também foi demonstrado que o risco de explosão era maior para uma célula de cátodo de óxido de lítio cobalto (LiCoO 2) totalmente carregada 18650 em comparação com uma célula de cátodo de lítio fosfato de ferro (LiFePO2) 18650. Fu et al.16 e Quang et al.17 realizaram experimentos de fogo em LIBs (0%-100% SOCs) usando um calorímetro cônico. Observou-se que LIBs em um SOC mais alto resultaram em maiores riscos de incêndio devido a menores períodos de tempo para ignição e explosão, maior HRR, maior temperatura da superfície e maiores emissões de CO e CO2.
Em resumo, estudos anteriores utilizando diferentes calorímetros18,19 (ARC, calorimetria adiabática, calorimetria C80 e calorimetria bomba modificada) forneceram dados abundantes sobre os processos eletroquímicos e térmicos associados à fuga térmica e incêndios de LIB (por exemplo, HRR, composições dos gases ventilados) e suas dependências do SOC, química da bateria e fluxo de calor incidente2,3, 7,20. No entanto, a maioria desses métodos foi projetada originalmente para combustíveis sólidos convencionais (por exemplo, amostras de celulose, plástico) e fornecem informações limitadas quando aplicadas a incêndios LIB. Enquanto alguns testes anteriores mediram a FCR e a energia total gerada a partir de reações químicas, os aspectos cinéticos de incêndios pós-térmicos não foram totalmente abordados.
A gravidade dos riscos durante o escoamento térmico depende principalmente da natureza e composição dos gases liberados 2,5. Portanto, é importante caracterizar os gases liberados, a taxa de ventilação e sua dependência do COS. Alguns estudos anteriores mediram as composições de gases de ventilação da fuga térmica LIB em um ambiente inerte (por exemplo, em nitrogênio ou argônio)12,21,22; o componente de fogo durante a fuga térmica foi excluído. Além disso, essas medidas foram realizadas principalmente pós-experimentos (em vez de in situ). As evoluções da composição dos gases de ventilação durante e pós-fuga térmica, especialmente aquelas envolvendo incêndios e gases tóxicos, permaneceram pouco exploradas.
Sabe-se que a fuga térmica interrompe a eletroquímica da bateria e impacta a tensão e a temperatura da célula. Um teste abrangente para caracterizar o processo de escoamento térmico do LIB deve, portanto, fornecer medição simultânea da temperatura, massa, tensão e gases ventilados (taxa e composição). Isso não foi alcançado em uma única configuração nos estudos anteriores. Neste estudo, um novo aparato e um protocolo de teste são desenvolvidos para coletar dados resolvidos no tempo sobre as informações celulares, composições de gases e características do fogo durante e pós-fuga térmica de células LIB23. O aparelho de ensaio é mostrado na Figura 1A. Uma grande câmara ambiental (~600 L) é usada para confinar o evento de fuga térmica. A câmara é equipada com uma válvula de alívio de pressão (com uma pressão manométrica definida em 0,5 psig) para evitar o aumento da pressão na câmara. Um analisador de gás infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) é conectado à câmara para amostragem de gás in situ durante todo o teste. Detecta 21 espécies de gases (H 2 O, CO 2, CO, NO, NO2, 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 H6O, C 3H 4 O e COF 2). A taxa de amostragem FTIR é de 0,25 Hz. Além disso, um sensor de hidrogênio autônomo é instalado dentro da câmara perto da porta de amostragem FTIR para registrar a concentração de H2. Duas bombas (uma bomba de diafragma resistente a produtos químicos de 1,3 cfm e uma bomba de vácuo de 0,5 hp) são instaladas na linha de exaustão da câmara. Após cada experimento, um procedimento de limpeza da câmara é seguido para filtrar e bombear o gás da câmara diretamente para a linha de exaustão do edifício.
Em cada experimento, a célula é montada dentro da câmara em um porta-amostras (Figura 1B). A fuga térmica é desencadeada por uma fita de aquecimento elétrico controlada por derivada integral proporcional (PID) a uma taxa de aquecimento constante de 10 °C/min. As temperaturas da superfície celular são registradas por termopares em três locais diferentes ao longo do comprimento da célula. A perda de massa da célula é medida por um balanço de massa. A pressão da câmara é monitorada por um transdutor de pressão. A tensão da célula e a entrada de energia (tensão e corrente) para a fita de aquecimento também são registradas. Todas as leituras do sensor (termopares, perda de massa, tensão da célula, corrente da fita de aquecimento e tensão) são coletadas por um programa de aquisição de dados personalizado a uma taxa de 2 Hz. Por fim, duas filmadoras (resolução de 1920 pixels x 1080 pixels) são usadas para registrar todo o processo dos experimentos de dois ângulos diferentes.
O objetivo do desenvolvimento deste novo método de teste é duplo: 1) caracterizar os comportamentos de fumaça e fogo associados à fuga térmica LIB e 2) fornecer dados experimentais resolvidos no tempo que permitam o desenvolvimento de modelos numéricos de alta validade para incêndios em baterias. O objetivo a longo prazo é avançar na compreensão de como a fuga térmica se propaga entre as células de uma bateria e como um incêndio de bateria aumenta ao passar de células únicas para baterias de várias células. Em última análise, isso ajudará a melhorar as diretrizes e protocolos para armazenar e transportar LIBs com segurança.

<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

Um aparato experimental e um procedimento operacional padrão (POP) são desenvolvidos para coletar dados resolvidos no tempo sobre as composições de gás e características de fogo durante e após a fuga térmica de células de baterias de íons de lítio (LIB). Uma célula cilíndrica 18650 é condicionada a um estado de carga desejado (SOC; 30%, 50%, 75% e 100%) antes de cada experimento. A célula condicionada é forçada a uma fuga térmica por uma fita de aquecimento elétrico a uma taxa de aquecimento constante (10 °C/min) em uma câmara ambiental (volume: ~600 L). A câmara é conectada a um analisador de gás infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) para medições de concentração em tempo real. Duas filmadoras são usadas para registrar grandes eventos, como ventilação de células, fuga térmica e o processo de queima subsequente. As condições da célula, como temperatura de superfície, perda de massa e tensão, também são registradas. Com os dados obtidos, pseudopropriedades celulares, composições de gases de ventilação e taxa de massa de ventilação podem ser deduzidas como funções da temperatura celular e do SOC celular. Embora o procedimento de teste seja desenvolvido para uma única célula cilíndrica, ele pode ser prontamente estendido para testar diferentes formatos de células e estudar a propagação do fogo entre várias células. Os dados experimentais coletados também podem ser utilizados para o desenvolvimento de modelos numéricos para incêndios LIB.

Vídeos que representam processos típicos de fuga térmica com e sem incêndios estão incluídos no Arquivo Suplementar 1 e no Arquivo Suplementar 2, respectivamente. Os principais eventos são representados na Figura 5. À medida que a temperatura da célula é elevada (para ~110-130 °C), a célula começa a inchar, indicando o acúmulo da pressão interna (causada pela vaporização de eletrólitos e pela expansão térmica dos gases dentro da célula<s...

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

Aqui, descrevemos um procedimento de teste desenvolvido para caracterizar fugas térmicas e incêndios em células de íons de lítio através de medidas in situ de vários parâmetros em uma câmara ambiental.

In situ Análise de gases e caracterização do fogo de células de íons de lítio durante escoamento térmico utilizando câmara ambiental

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

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

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

Construção e Teste de Pilhas da moeda de baterias de lítio

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

Engenharia

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

Caracterização de Materiais de Eletrodo de íons de lítio e íon sódio Baterias Utilizando Técnicas Synchrotron Radiation

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

Caracterização dos Transportes térmica em materiais sólidos unidimensionais

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

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In Situ Neutron Powder Diffraction uso das baterias de íon-lítio sob medida

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

Processamento Eletrodo não aquoso e Construção de iões de lítio Coin Cells

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

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Impressão Fabricação de massa Heterojunction células solares e<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologia Caracterização

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

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

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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

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