In situ Analyse des gaz et caractérisation au feu des cellules lithium-ion pendant l’emballement thermique à l’aide d’une chambre environnementale
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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
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