ב Situ ניתוח גזים ואפיון אש של תאי ליתיום-יון במהלך בריחה תרמית באמצעות תא סביבתי
Summary
במאמר זה אנו מתארים הליך בדיקה שפותח כדי לאפיין בריחה תרמית ושריפות בתאי ליתיום-יון באמצעות מדידות באתרן של פרמטרים שונים בתא סביבתי.
Abstract
מנגנון ניסויי ונוהל הפעלה סטנדרטי (SOP) מפותחים כדי לאסוף נתונים שנפתרו בזמן על הרכבי הגזים ומאפייני האש במהלך ואחרי בריחה תרמית של תאי סוללת ליתיום-יון (LIB). תא גלילי 18650 מותנה למצב טעינה רצוי (SOC; 30%, 50%, 75% ו-100%) לפני כל ניסוי. התא הממוזג נאלץ לברוח תרמית על ידי סרט חימום חשמלי בקצב חימום קבוע (10 ° C / min) בתא סביבתי (נפח: ~ 600 L). התא מחובר לאנלייזר גז אינפרא אדום התמרת פורייה (FTIR) למדידות ריכוז בזמן אמת. שתי מצלמות וידיאו משמשות לתיעוד אירועים מרכזיים, כגון אוורור תאים, בריחה תרמית ותהליך הצריבה שלאחר מכן. תנאי התא, כגון טמפרטורת פני השטח, אובדן מסה ומתח, נרשמים גם הם. בעזרת הנתונים המתקבלים, ניתן להסיק את תכונות הפסאודו-של התא, הרכבי גזי האוורור וקצב מסת האוורור כפונקציות של טמפרטורת התא ו-SOC של התא. בעוד הליך הבדיקה מפותח עבור תא גלילי יחיד, ניתן להרחיב אותו בקלות כדי לבדוק פורמטים שונים של תאים ולחקור התפשטות אש בין תאים מרובים. נתוני הניסוי שנאספו יכולים לשמש גם לפיתוח מודלים מספריים לשריפות LIB.
Introduction
בעשורים האחרונים, סוללות ליתיום-יון (LIBs) צברו פופולריות ונהנו מהתקדמות טכנולוגית עצומה. בשל יתרונות שונים (למשל, צפיפות אנרגיה גבוהה, תחזוקה נמוכה, זמני פריקה עצמית וטעינה נמוכים ותוחלת חיים ארוכה), LIB נחשבת לטכנולוגיית אגירת אנרגיה מבטיחה ונמצאת בשימוש נרחב ביישומים שונים, כגון מערכות אגירת אנרגיה גדולות (ESS), כלי רכב חשמליים (EV) ומכשירים אלקטרוניים ניידים. בעוד שהביקוש העולמי לתאי LIB צפוי להכפיל את עצמו מ-725 ג’יגה-וואט שעה בשנת 2020 ל-1,500 ג’יגה-וואט שעה בשנת 20301, חלה עלייה משמעותית בשריפות ופיצוצים הקשורים לתאי LIB בשנים האחרונות2. תאונות אלה מדגימות את הסיכונים הגבוהים הקשורים ל- LIBs, ומעלות חששות לגבי השימוש בקנה מידה גדול שלהם. כדי להפחית חששות אלה, חיוני להשיג הבנה מעמיקה של תהליך הבריחה התרמית של LIB המוביל לשריפות.
תאונות קודמות גילו כי תאי LIB נכשלים כאשר האלקטרוכימיה של התא משתבשת על ידי התחממות יתר בנסיבות הפעלה חריגות (כגון קצר חשמלי חיצוני, פריקה מהירה, טעינת יתר ונזק פיזי) או עקב פגמים בייצור ועיצוב לקוי 2,3,4. אירועים אלה מובילים לפירוק ממשק מוצק-אלקטרוליט (SEI), ומעוררים תגובות כימיות אקסותרמיות מאוד בין חומרי אלקטרודות ואלקטרוליטים. כאשר החום המיוצר בתגובות אלה עולה על זה שמתפוגג, התוצאה היא חימום עצמי מהיר של התאים, הידוע גם בשם בריחה תרמית. הטמפרטורה והלחץ הפנימיים יכולים להמשיך לעלות עד שהלחץ המצטבר גורם לסוללה להיקרע ולשחרר גזים דליקים ורעילים במהירות גבוהה. בתצורת סוללה מרובת תאים, בריחה תרמית בתא בודד, אם אינה מבוקרת, עלולה להוביל להתפשטות תרמית לתאים אחרים ולתקריות של אש ופיצוץ ברמות קטסטרופליות, במיוחד בחללים סגורים עם אוורור מוגבל. מצב זה מציב איומים משמעותיים על בטיחות האדם ומבנים.
בעשורים האחרונים נערכו מספר מחקרים כדי לחקור את תגובות הבריחה התרמיות של LIBs המובילות לבעירה של אלקטרוליטים אורגניים בתוך הסוללה ולשחרור גזים דליקים בתנאי חימום שונים 2,5,6,7,8,9,10,11,12. לדוגמה, Jhu et al.10 הדגימו את האופי המסוכן של LIBs גליליים טעונים בהשוואה לאלה שאינם טעונים באמצעות קלורימטר אדיאבטי. מחקרים רבים אחרים התמקדו בהתנהגות הבריחה התרמית של LIBs במצבי טעינה שונים (SOC). לדוגמה, Joshi et al.13 חקרו את הבריחה התרמית של סוגים שונים של LIBs מסחריים (גליליים ופאוץ’) ב-SOC שונים. הבחינו כי תאים ב-SOC גבוה יותר היו בעלי סיכוי גבוה יותר לעבור בריחה תרמית בהשוואה לתאים ב-SOC נמוכים יותר. בנוסף, ה-SOC המינימלי לבריחה תרמית משתנה עם תבניות התא והכימאים. Roth et al.11 בדקו LIBs גליליים בקלורימטר בקצב האצה (ARC) והבחינו כי ככל שה-SOC עלה, טמפרטורת ההתחלה של הבריחה התרמית ירדה וקצב התאוצה עלה. Golubkov et al.12 פיתחו עמדת בדיקה שתוכננה בהתאמה אישית והראו כי טמפרטורת פני השטח המקסימלית של LIBs גליליים יכולה להיות גבוהה עד 850 מעלות צלזיוס. Ribière et al.14 השתמשו במנגנון התפשטות אש כדי לחקור את הסכנות הנובעות מאש של כיסי LIB והבחינו כי קצב שחרור החום (HRR) וייצור הגזים הרעילים השתנו באופן משמעותי עם SOC התא. Chen et al.15 חקרו את התנהגויות האש של שני LIBs שונים משנת 18650 (LiCoO2 ו-LiFePO4) ב-SOC שונים, באמצעות קלורימטר באתרו בהתאמה אישית. HRR, אובדן מסה וטמפרטורת פני השטח המקסימלית נמצאו כעולים עם SOC. כמו כן הוכח כי הסיכון לפיצוץ היה גבוה יותר עבור תא קתודה 18650 טעון במלואו של תחמוצת ליתיום קובלט (LiCoO 2) בהשוואה לתא קתודה ליתיום ברזל פוספט (LiFePO2) 18650. Fu et al.16 ו- Quang et al.17 ערכו ניסויי אש על LIBs (ב- 0%-100% SOC) באמצעות קלורימטר חרוט. נצפה כי LIBs ב- SOC גבוה יותר גרמו לסיכוני אש גבוהים יותר עקב פרקי זמן קצרים יותר להצתה ופיצוץ, HRR גבוה יותר, טמפרטורת פני שטח גבוהה יותר ופליטות CO ו- CO2 גבוהות יותר.
לסיכום, מחקרים קודמים שהשתמשו בקלורימטרים שונים18,19 (ARC, קלורימטריה אדיאבטית, קלורימטריה C80 וקלורימטריית פצצה מותאמת) סיפקו נתונים רבים על התהליכים האלקטרוכימיים והתרמיים הקשורים לבריחה תרמית של LIB ולשריפות (למשל, HRR, הרכבי הגזים המאווררים) והתלות שלהם ב-SOC, כימיה של סוללות ושטף חום אירוע2,3, 7,20. עם זאת, רוב השיטות הללו תוכננו במקור עבור חומרים דליקים מוצקים קונבנציונליים (למשל, דגימות תאית, פלסטיק) ומספקות מידע מוגבל כאשר הן מיושמות בשריפות LIB. בעוד שכמה בדיקות קודמות מדדו את HRR ואת סך האנרגיה המופקת מתגובות כימיות, ההיבטים הקינטיים של שריפות פוסט-תרמיות לא טופלו במלואם.
חומרת הסיכונים במהלך בריחה תרמית תלויה בעיקר באופי ובהרכב הגזים המשתחררים 2,5. לכן, חשוב לאפיין את הגזים המשתחררים, את קצב האוורור ואת תלותם ב-SOC. כמה מחקרים קודמים מדדו את הרכבי גזי הנביעה של LIB תרמי בסביבה אינרטית (למשל, בחנקן או בארגון)12,21,22; רכיב האש במהלך הבריחה התרמית לא נכלל. בנוסף, מדידות אלה בוצעו בעיקר לאחר ניסויים (במקום באתרם). אבולוציות של הרכב גזי נביעות במהלך הבריחה התרמית ולאחריה, במיוחד אלה הכרוכות בשריפות וגזים רעילים, עדיין לא נחקרו.
ידוע כי בריחה תרמית משבשת את האלקטרוכימיה של הסוללה ומשפיעה על מתח התא והטמפרטורה. בדיקה מקיפה לאפיון תהליך הבריחה התרמית של ה-LIB אמורה, אם כן, לספק מדידה סימולטנית של הטמפרטורה, המסה, המתח והגזים המאווררים (קצב והרכב). זה לא הושג במערך אחד במחקרים הקודמים. במחקר זה, מנגנון חדש ופרוטוקול בדיקה חדשים מפותחים כדי לאסוף נתונים שנפתרו בזמן על מידע התא, הרכבי גזים ומאפייני אש במהלך ואחרי בריחה תרמית של תאי LIB23. מנגנון הבדיקה מוצג באיור 1A. תא סביבתי גדול (~ 600 L) משמש לכליאת אירוע הבריחה התרמית. התא מצויד בשסתום לשחרור לחץ (עם לחץ מד מוגדר של 0.5 psig) למניעת עליית לחץ בתא. מנתח גז אינפרא אדום התמרת פורייה (FTIR) מחובר לתא לצורך דגימת גז באתרו לאורך כל הבדיקה. הוא מזהה 21 מיני גזים (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, ו-COF 2). קצב דגימת FTIR הוא 0.25 הרץ. בנוסף, חיישן מימן עצמאי מותקן בתוך התא ליד יציאת הדגימה FTIR כדי להקליט את ריכוז H2. שתי משאבות (משאבת דיאפרגמה עמידה בפני כימיקלים 1.3 cfm ומשאבת ואקום 0.5 כ”ס) מותקנות בקו הפליטה של התא. לאחר כל ניסוי, מתבצע הליך ניקוי תא כדי לסנן ולשאוב את גז התא ישירות לקו הפליטה של הבניין.
בכל ניסוי, התא ממוקם בתוך התא במחזיק דגימה (איור 1B). בריחה תרמית מופעלת על ידי סרט חימום חשמלי מבוקר אינטגרלי פרופורציונלי (PID) בקצב חימום קבוע של 10 ° C / min. טמפרטורות פני השטח של התא נרשמות על ידי זוגות תרמיים בשלושה מיקומים שונים לאורך התא. אובדן המסה של התא נמדד על ידי איזון מסה. לחץ התא מנוטר על ידי מתמר לחץ. מתח התא וכניסת החשמל (מתח וזרם) לסרט החימום נרשמים גם הם. כל קריאות החיישנים (זוגות תרמיים, אובדן מסה, מתח תא, זרם סרט חימום ומתח) נאספות על ידי תוכנית רכישת נתונים מותאמת אישית בקצב של 2 הרץ. לבסוף, שתי מצלמות וידיאו (רזולוציה של 1920 פיקסלים x 1080 פיקסלים) משמשות להקלטת כל תהליך הניסויים משתי זוויות שונות.
מטרת פיתוח שיטת הבדיקה החדשה היא כפולה: 1) לאפיין את התנהגויות העשן והאש הקשורות לבריחה תרמית של LIB ו-2) לספק נתוני ניסוי שנפתרו בזמן המאפשרים פיתוח מודלים מספריים בעלי תוקף גבוה לשריפות סוללות. המטרה ארוכת הטווח היא לקדם את ההבנה של האופן שבו בריחה תרמית מתפשטת בין תאים במארז סוללות וכיצד אש סוללה מתרחבת כאשר עוברים מתאים בודדים לסוללות מרובות תאים. בסופו של דבר, זה יעזור לשפר את ההנחיות והפרוטוקולים לאחסון והובלה של LIBs בבטחה.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלבים הקריטיים ביותר בפרוטוקול הם אלה הנוגעים לגזים הרעילים המשתחררים בבריחה התרמית של LIB. בדיקת הדליפה בשלב 3.11 צריכה להתבצע בזהירות כדי להבטיח שהגזים הרעילים כלואים בתא במהלך הניסויים. נהלי ניקוי הגזים התא (שלבים 7.1-7.14) חייבים להיעשות כראוי גם כדי להפחית את הסיכון מהגזים הרעילים. גזים רע…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי מכוני המחקר UL. כל תאי הסוללה בעבודה זו מותנים והוכנו במעבדתו של פרופ’ כריס יואן באוניברסיטת קייס ווסטרן ריזרב (CWRU). תא הבדיקה מושאל ל-CWRU ממרכז המחקר גלן של נאס”א. קיבלנו תמיכה עצומה באנלייזר הגז FTIR מדוקטורנט לשעבר, ד”ר יומי מטסויאמה ב-CWRU, ותמיכה טכנית בחיישן H2 מג’ף טאקר, ברנדון וויקס ובריאן אנגל מחברת Amphenol Advanced Sensors. אנו מעריכים בכנות את התמיכה של Pushkal Kannan ו- Boyu Wang ב- CWRU. ברצוננו גם להכיר בדיונים הטכניים עם אלכסנדרה שרייבר מ-UL Solutions.
Materials
| Balance | A&D | EJ-6100 | |
| Carbon filter | Whatman | WHA67041500 | |
| Current transducer | NK Technologies | AT1-010-000-FT | |
| Front camera | Sony | FDR-AX53 | |
| FTIR gas analyzer | Fire Testing Technology | Protea atmosFIR AFS-A-15 | |
| Heating tape (1.00" x 2.00") | Birk Manufacturing, Inc. | BK3512-19.6-L24-03 | |
| High-temperature resistant tape | Kapton | ||
| Hydrogen sensor | Amphenol | AX220135 | |
| K-type, thermocouple | Omega | KMQSS-020U-12 | |
| LabVIEW | National Instruments | ||
| Matlab | MathWorks | ||
| NI-9213 | National Instruments | NI-9213 | |
| NI-9219 | National Instruments | NI-9219 | |
| NI-cDAQ-9174 | National Instruments | NI-cDAQ-9174 | |
| NI-USB-6009 | National Instruments | NI-USB-6009 | |
| PID controller | Omega | CN8200 | |
| PILOT5000 Chemical Resistant Diaphragm Vacuum Pump | The Lab Depot | TLD5000 | |
| Pressure relief valve | Straval | RVL20-10T-N4675 | |
| Pressure Transmitter | Keller | 0308.01601.081303.02 | |
| Pure Nickel Strip (0.1x5x100mm 99.6% Nickel) | U.S. Solid Product | ||
| Respirator | McMaster | 55865T52 | |
| Respirator Cartridge | Honeywell | 75Scp100L | |
| Rotary vane vacuum pump (0.5 hp) | Alcatel | Pascal 2010 | |
| Side camera | Sony | HDR-CX110 | |
| Spot Welder | SUNKKO | 737G+ | |
| TeamViewer | TeamViewer | ||
| Voltage transducer | CR Magnetics Inc. | CR4510-50 |
References
- Duffner, F., et al. Post-lithium-ion battery cell production and its compatibility with lithium-ion cell production infrastructure. Nature Energy. 6 (2), 123-134 (2021).
- Wang, Q., Mao, B., Stoliarov, S. I., Sun, J. A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies. Progress in Energy and Combustion Science. 73, 95-131 (2019).
- Srinivasan, R., et al. Thermal safety management in Li-ion batteries: current issues and perspectives. Journal of The Electrochemical Society. 167 (14), 140516 (2020).
- Jeevarajan, J. A., Joshi, T., Parhizi, M., Rauhala, T., Juarez-Robles, D. Battery hazards for large energy storage systems. ACS Energy Letters. 7 (8), 2725-2733 (2022).
- Ogunfuye, S., Sezer, H., Said, A. O., Simeoni, A., Akkerman, V. Y. An analysis of gas-induced explosions in vented enclosures in lithium-ion batteries. Journal of Energy Storage. 51, 104438 (2022).
- Diaz, L. B., et al. Meta-review of fire safety of lithium-ion batteries: Industry challenges and research contributions. Journal of The Electrochemical Society. 167 (9), 090559 (2020).
- Jeevarajan, J., Robles, D. J., Joshi, T., Kathirvel, K. Fire and smoke characterization of lithium-ion cells and modules during thermal runaway. Electrochemical Society Meeting Abstracts. The Electrochemical Society, Inc. 5, 280 (2021).
- Lopez, C. F., Jeevarajan, J. A., Mukherjee, P. P. Experimental analysis of thermal runaway and propagation in lithium-ion battery modules. Journal of The Electrochemical Society. 162 (9), 1905 (2015).
- Ghiji, M., Edmonds, S., Moinuddin, K. A review of experimental and numerical studies of lithium ion battery fires. Applied Sciences. 11 (3), 1247 (2021).
- Jhu, C. Y., Wang, Y. W., Shu, C. M., Chang, J. C., Wu, H. C. Thermal explosion hazards on 18650 lithium ion batteries with a VSP2 adiabatic calorimeter. Journal of Hazardous Materials. 192 (1), 99-107 (2011).
- Roth, E. P., Doughty, D. H. Thermal abuse performance of high-power 18650 Li-ion cells. Journal of Power Sources. 128 (2), 308-318 (2004).
- Golubkov, A. W., et al. Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes. RSC Advances. 4 (7), 3633-3642 (2013).
- Joshi, T., Azam, S., Lopez, C., Kinyon, S., Jeevarajan, J. Safety of lithium-ion cells and batteries at different states-of-charge. Journal of The Electrochemical Society. 167 (14), 140547 (2020).
- Ribière, P., et al. Investigation on the fire-induced hazards of Li-ion battery cells by fire calorimetry. Energy & Environmental Science. 5 (1), 5271-5280 (2012).
- Chen, M., et al. Investigation on the thermal hazards of 18650 lithium ion batteries by fire calorimeter. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 122 (2), 755-763 (2015).
- Fu, Y., et al. An experimental study on burning behaviors of 18650 lithium ion batteries using a cone calorimeter. Journal of Power Sources. 273, 216-222 (2015).
- Ouyang, D., He, Y., Chen, M., Liu, J., Wang, J. Experimental study on the thermal behaviors of lithium-ion batteries under discharge and overcharge conditions. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 132 (1), 65-75 (2018).
- Said, A. O., Lee, C., Liu, X., Wu, Z., Stoliarov, S. I. Simultaneous measurement of multiple thermal hazards associated with a failure of prismatic lithium ion battery. Proceedings of the Combustion Institute. 37 (3), 4173-4180 (2019).
- Quintiere, J. G. On methods to measure the energetics of a lithium ion battery in thermal runaway. Fire Safety Journal. 111, 102911 (2020).
- Chen, Y., et al. A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standards. Journal of Energy Chemistry. 59, 83-99 (2021).
- Kennedy, R. W., Marr, K. C., Ezekoye, O. A. Gas release rates and properties from Lithium Cobalt Oxide lithium ion battery arrays. Journal of Power Sourcres. 487, 229388 (2021).
- Essl, C., et al. Comprehensive hazard analysis of failing automotive Lithium-ion batteries in overtemperature experiments. Batteries. 6 (2), 30 (2020).
- . Fire characterization and gas analysis of lithium-ion batteries during thermal runaway Available from: https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/89734 (2022)
- FTIR Toxity Test. Fire Testing Technology Available from: https://www.fire-testing.com/ftir-toxicity-test/ (2022)
