सीटू में एक पर्यावरण कक्ष का उपयोग करके थर्मल रनवे के दौरान लिथियम-आयन कोशिकाओं का गैस विश्लेषण और अग्नि लक्षण वर्णन
Summary
यहां, हम एक पर्यावरणीय कक्ष में विभिन्न मापदंडों के सीटू माप के माध्यम से लिथियम-आयन कोशिकाओं में थर्मल भगोड़ा और आग को चिह्नित करने के लिए विकसित एक परीक्षण प्रक्रिया का वर्णन करते हैं।
Abstract
लिथियम-आयन बैटरी (एलआईबी) कोशिकाओं के दौरान और बाद में थर्मल रनवे के दौरान गैस रचनाओं और आग विशेषताओं पर समय-हल किए गए डेटा एकत्र करने के लिए एक प्रयोगात्मक उपकरण और एक मानक संचालन प्रक्रिया (एसओपी) विकसित की जाती है। 18650 बेलनाकार सेल को प्रत्येक प्रयोग से पहले वांछित स्थिति (एसओसी; 30%, 50%, 75%, और 100%) के लिए वातानुकूलित किया जाता है। वातानुकूलित सेल को एक पर्यावरण कक्ष (मात्रा: ~ 600 एल) में निरंतर हीटिंग दर (10 डिग्री सेल्सियस / मिनट) पर विद्युत हीटिंग टेप द्वारा थर्मल रनवे में मजबूर किया जाता है। कक्ष वास्तविक समय एकाग्रता माप के लिए फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एफटीआईआर) गैस विश्लेषक से जुड़ा हुआ है। दो कैमकोर्डर का उपयोग प्रमुख घटनाओं को रिकॉर्ड करने के लिए किया जाता है, जैसे कि सेल वेंटिंग, थर्मल भगोड़ा और बाद में जलने की प्रक्रिया। सेल की स्थितियां, जैसे सतह का तापमान, द्रव्यमान हानि और वोल्टेज, भी दर्ज किए जाते हैं। प्राप्त आंकड़ों के साथ, सेल स्यूडो-गुण, वेंटिंग गैस रचनाएं, और वेंटिंग मास रेट को सेल तापमान और सेल एसओसी के कार्यों के रूप में माना जा सकता है। जबकि परीक्षण प्रक्रिया एक एकल बेलनाकार सेल के लिए विकसित की गई है, इसे विभिन्न सेल प्रारूपों का परीक्षण करने और कई कोशिकाओं के बीच अग्नि प्रसार का अध्ययन करने के लिए आसानी से बढ़ाया जा सकता है। एकत्र किए गए प्रयोगात्मक डेटा का उपयोग एलआईबी आग के लिए संख्यात्मक मॉडल के विकास के लिए भी किया जा सकता है।
Introduction
पिछले कुछ दशकों में, लिथियम-आयन बैटरी (एलआईबी) ने लोकप्रियता हासिल की है और जबरदस्त तकनीकी प्रगति से लाभान्वित हुए हैं। विभिन्न फायदों (जैसे, उच्च ऊर्जा घनत्व, कम रखरखाव, कम आत्म-निर्वहन और चार्ज समय, और लंबे जीवनकाल) के कारण, एलआईबी को एक आशाजनक ऊर्जा भंडारण तकनीक माना जाता है और बड़े पैमाने पर विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, जैसे कि बड़ी ऊर्जा भंडारण प्रणाली (ईएसएस), इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी), और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण। जबकि एलआईबी कोशिकाओं की वैश्विक मांग 2020 में 725 जीडब्ल्यूएच से 2030 1 में 1,500 जीडब्ल्यूएच तक दोगुनी होने की उम्मीद है, हालके वर्षों में एलआईबी से संबंधित आग और विस्फोटों में काफी वृद्धि हुई है। ये दुर्घटनाएं एलआईबी से जुड़े उच्च जोखिमों को प्रदर्शित करती हैं, जिससे उनके बड़े पैमाने पर उपयोग के बारे में चिंताएं बढ़ जाती हैं। इन चिंताओं को कम करने के लिए, आग लगने की वजह से एलआईबी थर्मल रनवे की प्रक्रिया की पूरी तरह से समझ हासिल करना महत्वपूर्ण है।
पिछली दुर्घटनाओं से पता चला है कि एलआईबी कोशिकाएं विफल हो जाती हैं जब सेल इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री असामान्य परिचालन परिस्थितियों (जैसे बाहरी शॉर्ट सर्किट, तेजी से निर्वहन, ओवरचार्जिंग और शारीरिक क्षति) में ओवरहीटिंग से बाधित होती है या विनिर्माण दोष और खराब डिजाइन 2,3,4 के कारण होती है। ये घटनाएं ठोस-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफ़ेस (एसईआई) के अपघटन का कारण बनती हैं, इलेक्ट्रोड सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट्स के बीच अत्यधिक एक्सोथर्मिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्तेजित करती हैं। जब इन प्रतिक्रियाओं में उत्पन्न गर्मी विघटित होने से अधिक हो जाती है, तो इसके परिणामस्वरूप कोशिकाओं का तेजी से स्व-ताप होता है, जिसे थर्मल भगोड़ा भी कहा जाता है। आंतरिक तापमान और दबाव तब तक बढ़ सकता है जब तक कि अंतर्निहित दबाव बैटरी को टूटने और उच्च गति से ज्वलनशील, जहरीली गैसों को छोड़ने का कारण नहीं बनता है। एक मल्टी-सेल बैटरी कॉन्फ़िगरेशन में, एक एकल सेल में एक थर्मल भगोड़ा, यदि नियंत्रित नहीं किया जाता है, तो अन्य कोशिकाओं में थर्मल भगोड़ा प्रसार और विनाशकारी स्तरों पर आग और विस्फोट की घटनाएं हो सकती हैं, खासकर सीमित वेंटिलेशन वाले संलग्न स्थानों में। यह मानव सुरक्षा और संरचनाओं के लिए महत्वपूर्ण खतरा पैदा करता है।
पिछले कुछ दशकों में, एलआईबी की थर्मल भगोड़ा प्रतिक्रियाओं की जांच करने के लिए कई अध्ययन किए गए हैं, जिससे बैटरी के अंदर कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट्स का दहन होता है और विभिन्न हीटिंगस्थितियों 2,5,6,7,8,9,10,11,12 के तहत ज्वलनशील गैसों की रिहाई होती है। उदाहरण के लिए, झू एट अल.10 ने एडियाबेटिक कैलोरीमीटर का उपयोग करके बिना चार्ज किए गए लोगों की तुलना में चार्ज बेलनाकार एलआईबी की खतरनाक प्रकृति का प्रदर्शन किया। कई अन्य अध्ययनों ने विभिन्न राज्य-प्रभारों (एसओसी) पर एलआईबी के थर्मल भगोड़ा व्यवहार पर ध्यान केंद्रित किया। उदाहरण के लिए, जोशी एट अल.13 ने विभिन्न एसओसी पर विभिन्न प्रकार के वाणिज्यिक एलआईबी (बेलनाकार और थैली) के थर्मल रनवे की जांच की। यह देखा गया कि उच्च एसओसी पर कोशिकाओं में कम एसओसी की तुलना में थर्मल रनवे से गुजरने की अधिक संभावना थी। इसके अलावा, थर्मल रनवे के लिए न्यूनतम एसओसी सेल प्रारूपों और रसायनज्ञों के साथ भिन्न होता है। रोथ एट अल.11 ने एक त्वरित दर कैलोरीमीटर (एआरसी) में बेलनाकार एलआईबी का परीक्षण किया और देखा कि, जैसे-जैसे एसओसी में वृद्धि हुई, थर्मल रनवे का शुरुआती तापमान कम हो गया और त्वरण दर में वृद्धि हुई। गोलबकोव एट अल .12 ने एक कस्टम-डिज़ाइन किया गया परीक्षण स्टैंड विकसित किया और दिखाया कि बेलनाकार एलआईबी की अधिकतम सतह का तापमान 850 डिग्री सेल्सियस जितना अधिक हो सकता है। रिबिएर एट अल.14 ने थैली एलआईबी के आग से प्रेरित खतरों की जांच करने के लिए एक अग्नि प्रसार उपकरण का उपयोग किया और देखा कि सेल एसओसी के साथ गर्मी रिलीज दर (एचआरआर) और विषाक्त गैस उत्पादन में काफी भिन्नता है। चेन एट अल.15 ने विभिन्न एसओसी में दो अलग-अलग 18650 एलआईबी (LiCoO 2 और LiFePO4) के अग्नि व्यवहार का अध्ययन किया। सीटू कैलोरीमीटर में कस्टम-निर्मित का उपयोग करना। एसओसी के साथ एचआरआर, द्रव्यमान हानि और अधिकतम सतह के तापमान में वृद्धि पाई गई। यह भी प्रदर्शित किया गया था कि लिथियम आयरन फॉस्फेट (LiFePO2) कैथोड 18650 सेल की तुलना में पूरी तरह से चार्ज लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LiCoO2) कैथोड 18650 सेल के लिए विस्फोट का जोखिम अधिक था। फू एट अल.16 और क्वांग एट अल.17 ने शंकु कैलोरीमीटर का उपयोग करके एलआईबी (0% –100% एसओसी पर) पर अग्नि प्रयोग किए। यह देखा गया कि उच्च एसओसी पर एलआईबी के परिणामस्वरूप इग्निशन और विस्फोट के लिए कम समय, उच्च एचआरआर, उच्च सतह तापमान और उच्च सीओ और सीओ2 उत्सर्जन के कारण उच्च आग के खतरे होते हैं।
संक्षेप में, विभिन्न कैलोरीमीटर18,19 (एआरसी, एडियाबेटिक कैलोरीमेट्री, सी 80 कैलोरीमेट्री, और संशोधित बम कैलोरीमेट्री) का उपयोग करने वाले पिछले अध्ययनों ने एलआईबी थर्मल भगोड़ा और आग (जैसे, एचआरआर, वेंट गैसों की रचनाएं ) और एसओसी, बैटरी रसायन विज्ञान और घटना गर्मी प्रवाह 2,3 पर उनकी निर्भरता से जुड़े विद्युत रासायनिक और थर्मल प्रक्रियाओं पर प्रचुर मात्रा में डेटा प्रदान किया है। 7,20. हालांकि, इनमें से अधिकांश विधियां मूल रूप से पारंपरिक ठोस दहनशील (जैसे, सेल्यूलोज नमूने, प्लास्टिक) के लिए डिज़ाइन की गई थीं और एलआईबी आग पर लागू होने पर सीमित जानकारी प्रदान करती हैं। जबकि कुछ पिछले परीक्षणों ने एचआरआर और रासायनिक प्रतिक्रियाओं से उत्पन्न कुल ऊर्जा को मापा, पोस्ट-थर्मल भगोड़ा आग के कैनेटीक्स पहलुओं को पूरी तरह से संबोधित नहीं किया गया था।
थर्मल भगोड़ा के दौरान खतरों की गंभीरता मुख्य रूपसे जारी गैसों की प्रकृति और संरचना पर निर्भर करती है। इसलिए, जारी गैसों, वेंटिंग दर और एसओसी पर उनकी निर्भरता को चिह्नित करना महत्वपूर्ण है। कुछ पिछले अध्ययनों ने एक निष्क्रिय वातावरण (जैसे, नाइट्रोजन या आर्गन में) 12,21,22 में एलआईबी थर्मल भगोड़ा की वेंट गैस रचनाओं को मापा; थर्मल रनवे के दौरान आग घटक को बाहर रखा गया था। इसके अलावा, ये माप ज्यादातर प्रयोगों के बाद किए गए थे (सीटू के बजाय)। थर्मल रनवे के दौरान और बाद में वेंट गैस संरचना के विकास, विशेष रूप से आग और जहरीली गैसों से जुड़े, कम खोजे गए।
यह ज्ञात है कि थर्मल रनवे बैटरी के इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री को बाधित करता है और सेल वोल्टेज और तापमान को प्रभावित करता है। एलआईबी की थर्मल भगोड़ा प्रक्रिया को चिह्नित करने के लिए एक व्यापक परीक्षण, इसलिए, तापमान, द्रव्यमान, वोल्टेज और वेंट गैसों (दर और संरचना) का एक साथ माप प्रदान करना चाहिए। यह पिछले अध्ययनों में एक भी सेटअप में हासिल नहीं किया गया है। इस अध्ययन में, एलआईबीकोशिकाओं के थर्मल भगोड़ा के दौरान और बाद में सेल की जानकारी, गैस रचनाओं और आग विशेषताओं पर समय-हल किए गए डेटा एकत्र करने के लिए एक नया उपकरण और परीक्षण प्रोटोकॉल विकसित किया गया है। परीक्षण उपकरण चित्रा 1 ए में दिखाया गया है। थर्मल भगोड़ा घटना को सीमित करने के लिए एक बड़े (~ 600 एल) पर्यावरण कक्ष का उपयोग किया जाता है। कक्ष में दबाव वृद्धि को रोकने के लिए कक्ष एक दबाव राहत वाल्व (0.5 पीएसआईजी पर एक सेट गेज दबाव के साथ) से लैस है। एक फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एफटीआईआर) गैस विश्लेषक पूरे परीक्षण के दौरान सीटू गैस नमूने के लिए कक्ष से जुड़ा होता है। यह 21 गैस प्रजातियों (एच 2 ओ, सीओ 2, सीओ, एनओ, एनओ 2, एन2ओ, एसओ 2, एचसीएल, एचसीएन, एचबीआर, एचएफ, एनएच 3, सी 2 एच 4, सी 2 एच6, सी 3 एच8, सी 6 एच14, सीएच 4, एचसीएचओ, सी 6 एच6ओ,सी3एच 4ओ, और सीओएफ 2) का पता लगाता है। एफटीआईआर नमूना दर 0.25 हर्ट्ज है। इसके अलावा, एच2 एकाग्रता को रिकॉर्ड करने के लिए एफटीआईआर नमूना बंदरगाह के पास कक्ष के अंदर एक स्टैंडअलोन हाइड्रोजन सेंसर स्थापित किया गया है। चैंबर निकास लाइन में दो पंप (एक 1.3 सीएफएम रासायनिक प्रतिरोधी डायाफ्राम पंप और 0.5 एचपी वैक्यूम पंप) स्थापित किए गए हैं। प्रत्येक प्रयोग के बाद, चैंबर गैस को सीधे भवन निकास लाइन में फ़िल्टर और पंप करने के लिए एक कक्ष सफाई प्रक्रिया का पालन किया जाता है।
प्रत्येक प्रयोग में, सेल को एक नमूना धारक (चित्रा 1 बी) में कक्ष के अंदर स्थापित किया जाता है। थर्मल रनवे को 10 डिग्री सेल्सियस / मिनट की निरंतर हीटिंग दर पर आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न (पीआईडी) -नियंत्रित इलेक्ट्रिक हीटिंग टेप द्वारा ट्रिगर किया जाता है। सेल की सतह का तापमान थर्मोकपल द्वारा सेल की लंबाई के साथ तीन अलग-अलग स्थानों में दर्ज किया जाता है। सेल के द्रव्यमान हानि को द्रव्यमान संतुलन द्वारा मापा जाता है। चैंबर दबाव की निगरानी एक दबाव ट्रांसड्यूसर द्वारा की जाती है। हीटिंग टेप के लिए सेल वोल्टेज और पावर इनपुट (वोल्टेज और करंट) भी दर्ज किए जाते हैं। सभी सेंसर रीडिंग (थर्मोकपल, मास लॉस, सेल वोल्टेज, हीटिंग टेप करंट और वोल्टेज) को 2 हर्ट्ज की दर से कस्टम डेटा अधिग्रहण प्रोग्राम द्वारा एकत्र किया जाता है। अंत में, दो कैमकोर्डर (1920 पिक्सेल x 1080 पिक्सेल रिज़ॉल्यूशन) का उपयोग प्रयोगों की पूरी प्रक्रिया को दो अलग-अलग कोणों से रिकॉर्ड करने के लिए किया जाता है।
इस नई परीक्षण विधि को विकसित करने का उद्देश्य दो गुना है: 1) एलआईबी थर्मल भगोड़ा से जुड़े धुएं और आग के व्यवहार को चिह्नित करने के लिए और 2) समय-हल किए गए प्रयोगात्मक डेटा प्रदान करने के लिए जो बैटरी की आग के लिए उच्च-वैधता संख्यात्मक मॉडल के विकास को सक्षम बनाता है। दीर्घकालिक लक्ष्य इस बात की समझ को आगे बढ़ाना है कि बैटरी पैक में कोशिकाओं के बीच थर्मल रनवे कैसे फैलता है और एकल कोशिकाओं से मल्टी-सेल बैटरी में जाने पर बैटरी की आग कैसे बढ़ती है। अंततः, यह एलआईबी को सुरक्षित रूप से संग्रहीत और परिवहन के लिए दिशानिर्देशों और प्रोटोकॉल को बेहतर बनाने में मदद करेगा।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल में सबसे महत्वपूर्ण कदम एलआईबी थर्मल रनवे में जारी जहरीली गैसों से संबंधित हैं। चरण 3.11 में रिसाव परीक्षण को सावधानीपूर्वक किया जाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि प्रयोगों के दौरान ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह अध्ययन यूएल अनुसंधान संस्थानों द्वारा समर्थित है। इस काम में सभी बैटरी कोशिकाओं को केस वेस्टर्न रिजर्व यूनिवर्सिटी (सीडब्ल्यूआरयू) में प्रोफेसर क्रिस युआन की प्रयोगशाला में वातानुकूलित और तैयार किया गया था। परीक्षण कक्ष नासा ग्लेन रिसर्च सेंटर से सीडब्ल्यूआरयू को ऋण पर है। हमें सीडब्ल्यूआरयू में एक पूर्व पीएचडी छात्र, डॉ युमी मात्सुयामा से एफटीआईआर गैस विश्लेषक पर जबरदस्त समर्थन मिला, और जेफ टकर, ब्रैंडन विक्स और एम्फेनॉल एडवांस्ड सेंसर से ब्रायन एंगल से एच2 सेंसर पर तकनीकी सहायता मिली। हम सीडब्ल्यूआरयू में पुष्कल कन्नन और बोयू वांग के समर्थन की ईमानदारी से सराहना करते हैं। हम यूएल सॉल्यूशंस से एलेक्जेंड्रा श्राइबर के साथ तकनीकी चर्चाओं को भी स्वीकार करना चाहते हैं।
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 |
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