In situ Análise de gases e caracterização do fogo de células de íons de lítio durante escoamento térmico utilizando câmara ambiental
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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 |
Riferimenti
- 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)
