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

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.