На месте Газовый анализ и характеристика пожара литий-ионных элементов при тепловом разгоне с использованием экологической камеры
Summary
Здесь мы описываем процедуру испытаний, разработанную для характеристики теплового разгона и возгорания в литий-ионных элементах посредством измерений in situ различных параметров в камере окружающей среды.
Abstract
Экспериментальный аппарат и стандартная операционная процедура (СОП) разработаны для сбора данных с временным разрешением о составе газа и характеристиках пожара во время и после теплового разгона элементов литий-ионных батарей (LIB). Цилиндрическая ячейка 18650 кондиционируется до желаемого состояния заряда (SOC; 30%, 50%, 75% и 100%) перед каждым экспериментом. Кондиционированная ячейка принудительно нагревается электрической нагревательной лентой с постоянной скоростью нагрева (10 °C / мин) в камере для окружающей среды (объем: ~ 600 л). Камера подключена к инфракрасному газоанализатору с преобразованием Фурье (FTIR) для измерения концентрации в режиме реального времени. Две видеокамеры используются для записи основных событий, таких как вентиляция ячеек, тепловой разгон и последующий процесс записи. Также регистрируются условия ячейки, такие как температура поверхности, потеря массы и напряжение. С помощью полученных данных псевдосвойства ячейки, состав вентиляционного газа и скорость выброса массы могут быть выведены как функции температуры ячейки и SOC ячейки. Хотя процедура испытаний разработана для одной цилиндрической ячейки, она может быть легко расширена для тестирования различных форматов ячеек и изучения распространения огня между несколькими ячейками. Собранные экспериментальные данные также могут быть использованы для разработки численных моделей пожаров LIB.
Introduction
За последние несколько десятилетий литий-ионные аккумуляторы (LIB) приобрели популярность и извлекли выгоду из огромных технологических достижений. Благодаря различным преимуществам (например, высокой плотности энергии, низким эксплуатационным расходам, низкому времени саморазряда и зарядки, а также длительному сроку службы) LIB считается перспективной технологией хранения энергии и широко используется в различных приложениях, таких как большие системы хранения энергии (ESS), электромобили (EV) и портативные электронные устройства. В то время как ожидается, что мировой спрос на ячейки LIB удвоится с 725 ГВтч в 2020 году до 1,500 ГВтч в 2030 году1, в последние годы наблюдается значительное увеличение пожаров и взрывов, связанных с LIB2. Эти аварии демонстрируют высокие риски, связанные с ЛИА, что вызывает опасения по поводу их широкомасштабного использования. Чтобы смягчить эти проблемы, крайне важно получить полное представление о процессе теплового разгона LIB, приводящего к пожарам.
Предыдущие аварии показали, что ячейки LIB выходят из строя, когда электрохимия ячейки нарушается из-за перегрева в ненормальных условиях эксплуатации (таких как внешнее короткое замыкание, быстрый разряд, перезарядка и физическое повреждение) или из-за производственных дефектов и плохой конструкции 2,3,4. Эти события приводят к разложению границы раздела твердый электролит (SEI), стимулируя высокоэкзотермические химические реакции между электродными материалами и электролитами. Когда тепло, выделяемое в этих реакциях, превышает рассеиваемое, это приводит к быстрому самонагреву ячеек, также известному как тепловой разгон. Внутренняя температура и давление могут продолжать расти до тех пор, пока накопленное давление не приведет к разрыву батареи и выделению легковоспламеняющихся токсичных газов на высокой скорости. В конфигурации с многоэлементной батареей тепловой разгон в одной ячейке, если его не контролировать, может привести к распространению теплового разгона на другие элементы и случаям пожара и взрыва на катастрофических уровнях, особенно в закрытых помещениях с ограниченной вентиляцией. Это создает значительные угрозы для безопасности людей и сооружений.
За последние несколько десятилетий был проведен ряд исследований по изучению реакций теплового разгона ЛИА, приводящих к сгоранию органических электролитов внутри батареи и выделению легковоспламеняющихся газов при различных условиях нагрева 2,5,6,7,8,9,10,11,12. Например, Jhu et al.10 продемонстрировали опасный характер заряженных цилиндрических LIB по сравнению с незаряженными с использованием адиабатического калориметра. Многие другие исследования были сосредоточены на тепловом разгоне LIB при различных состояниях заряда (SOC). Например, Joshi et al.13 исследовали тепловой разгон различных типов коммерческих LIB (цилиндрических и мешочных) в разных SOC. Было замечено, что клетки с более высокими SOC имели более высокий шанс подвергнуться тепловому разгону по сравнению с клетками с более низкими SOC. Кроме того, минимальный SOC для теплового разгона варьировался в зависимости от форматов клеток и химического состава. Roth et al.11 протестировали цилиндрические LIB в калориметре с ускоряющей скоростью (ARC) и заметили, что по мере увеличения SOC начальная температура теплового разгона снижалась, а скорость ускорения увеличивалась. Голубков и др.12 разработали специально разработанный испытательный стенд и показали, что максимальная температура поверхности цилиндрических ЛИА может достигать 850 °C. Ribière et al.14 использовали устройство для распространения огня для исследования пожароопасностей LIB в пакетах и заметили, что скорость выделения тепла (HRR) и образование токсичных газов значительно варьировались в зависимости от SOC ячейки. Chen et al.15 изучили поведение при пожаре двух разных 18650 LIB (LiCoO2 и LiFePO4) в разных SOC, с использованием изготовленного на заказ калориметра in situ. Было обнаружено, что HRR, потеря массы и максимальная температура поверхности увеличиваются с SOC. Также было продемонстрировано, что риск взрыва был выше для полностью заряженного катодного элемента 18650 из оксида лития-кобальта (LiCoO 2) по сравнению с катодным элементом 18650 из фосфата лития-железа (LiFePO2). Fu et al.16 и Quang et al.17 провели огневые эксперименты на LIB (при 0-100% SOC) с использованием конусного калориметра. Было отмечено, что LIB при более высоком SOC приводят к более высокой пожарной опасности из-за более коротких промежутков времени до воспламенения и взрыва, более высокого HRR, более высокой температуры поверхности и более высоких выбросов CO и CO2.
Подводя итог, можно сказать, что предыдущие исследования с использованием различных калориметров18,19 (ARC, адиабатическая калориметрия, калориметрия C80 и модифицированная калориметрия бомбы) предоставили обширные данные об электрохимических и термических процессах, связанных с тепловым разгоном LIB и пожарами (например, HRR, составы выпускаемых газов) и их зависимости от SOC, химического состава батареи и падающего теплового потока2,3, 7,20. Однако большинство из этих методов были первоначально разработаны для обычных твердых горючих материалов (например, образцов целлюлозы, пластика) и предоставляют ограниченную информацию при применении к пожарам LIB. В то время как некоторые предыдущие тесты измеряли HRR и общую энергию, генерируемую химическими реакциями, кинетические аспекты посттепловых пожаров не были полностью рассмотрены.
Серьезность опасностей при тепловом разгоне в основном зависит от характера и состава выделяемых газов 2,5. Поэтому важно охарактеризовать выделяемые газы, скорость выпуска и их зависимость от SOC. В некоторых предыдущих исследованиях измерялся состав вентиляционных газов теплового разгона LIB в инертной среде (например, в азоте или аргоне)12,21,22; Пожарная составляющая при тепловом разгоне была исключена. Кроме того, эти измерения в основном проводились после экспериментов (а не на месте). Эволюция состава вентиляционных газов во время и после теплового разгона, особенно те, которые связаны с пожарами и токсичными газами, оставалась недостаточно изученной.
Известно, что тепловой разгон нарушает электрохимию батареи и влияет на напряжение и температуру элемента. Таким образом, комплексное испытание для характеристики процесса теплового разгона LIB должно обеспечивать одновременное измерение температуры, массы, напряжения и выпускаемых газов (скорости и состава). Это не было достигнуто ни в одной установке в предыдущих исследованиях. В этом исследовании разработан новый аппарат и протокол испытаний для сбора данных с временным разрешением о информации о ячейках, составе газа и характеристиках огня во время и после теплового разгона ячеекLIB 23. Испытательная аппаратура показана на рисунке 1А. Большая (~ 600 л) экологическая камера используется для ограничения теплового разгона. Камера оснащена предохранительным клапаном (с заданным манометрическим давлением при 0,5 фунта на квадратный дюйм) для предотвращения повышения давления в камере. Инфракрасный газоанализатор с преобразованием Фурье (FTIR) подключен к камере для отбора проб газа in situ на протяжении всего испытания. Он обнаруживает 21 вид газа (H 2 O, CO 2, CO, NO,NO 2, 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 H 6O, C 3H 4O и COF 2). Частота дискретизации FTIR составляет 0,25 Гц. Кроме того, автономный датчик водорода установлен внутри камеры рядом с портом отбора проб FTIR для регистрации концентрации H2. В вытяжной линии камеры установлены два насоса (химически стойкий мембранный насос мощностью 1,3 куб. футов в минуту и вакуумный насос мощностью 0,5 л.с.). После каждого эксперимента выполняется процедура очистки камеры для фильтрации и перекачки камерного газа непосредственно в вытяжную линию здания.
В каждом эксперименте ячейка устанавливается внутри камеры в держателе образца (рис. 1B). Тепловой разгон запускается пропорционально-интегрально-производной (ПИД) электрической нагревательной лентой с постоянной скоростью нагрева 10 °C/мин. Температура поверхности ячейки регистрируется термопарами в трех разных местах по длине ячейки. Потеря массы клетки измеряется балансом массы. Давление в камере контролируется датчиком давления. Напряжение ячейки и потребляемая мощность (напряжение и ток) на нагревательной ленте также записываются. Все показания датчиков (термопары, потеря массы, напряжение ячейки, ток нагревательной ленты и напряжение) собираются специальной программой сбора данных с частотой 2 Гц. Наконец, две видеокамеры (разрешение 1920 x 1080 пикселей) используются для записи всего процесса экспериментов под двумя разными углами.
Цель разработки этого нового метода испытаний двоякая: 1) охарактеризовать поведение дыма и огня, связанное с тепловым разгоном LIB, и 2) предоставить экспериментальные данные с временным разрешением, которые позволяют разрабатывать высокодостоверные численные модели возгорания аккумуляторов. Долгосрочная цель состоит в том, чтобы углубить понимание того, как тепловой разгон распространяется между элементами в аккумуляторной батарее и как возгорание батареи масштабируется при переходе от одноэлементных к многоэлементным батареям. В конечном счете, это поможет улучшить руководящие принципы и протоколы для безопасного хранения и транспортировки LIB.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наиболее важными шагами в протоколе являются те, которые касаются токсичных газов, выделяемых при тепловом разгоне LIB. Испытание на герметичность на шаге 3.11 должно быть тщательно выполнено, чтобы убедиться, что токсичные газы удерживаются в камере во время экспериментов. Процедуры очи?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование поддерживается научно-исследовательскими институтами UL. Все аккумуляторные элементы в этой работе были кондиционированы и подготовлены в лаборатории профессора Криса Юаня в Университете Кейс Вестерн Резерв (CWRU). Испытательная камера предоставлена CWRU из Исследовательского центра Гленна НАСА. Мы получили огромную поддержку по газоанализатору FTIR от бывшего аспиранта, доктора Юми Мацуямы из CWRU, и техническую поддержку по датчику H2 от Джеффа Такера, Брэндона Уикса и Брайана Энгла из Amphenol Advanced Sensors. Мы искренне ценим поддержку со стороны Пушкаля Каннана и Бою Вана из CWRU. Мы также хотели бы отметить технические обсуждения с Александрой Шрайбер из 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)
