In situ Gasanalys och brandkarakterisering av litiumjonceller under termisk rusning med hjälp av en miljökammare
Summary
Här beskrivs en testprocedur utvecklad för att karakterisera termisk rusning och bränder i litiumjonceller genom in situ-mätningar av olika parametrar i en miljökammare.
Abstract
En experimentell apparatur och ett standardförfarande (SOP) utvecklas för att samla in tidsupplösta data om gaskompositioner och brandegenskaper under och efter termisk rusning av litiumjonbattericeller (LIB). En cylindrisk cell från 18650 konditioneras till ett önskat laddningstillstånd (SOC; 30%, 50%, 75% och 100%) före varje experiment. Den konditionerade cellen tvingas in i en termisk rusning av en elektrisk värmetejp med en konstant uppvärmningshastighet (10 ° C / min) i en miljökammare (volym: ~ 600 L). Kammaren är ansluten till en Fouriertransform infraröd (FTIR) gasanalysator för koncentrationsmätningar i realtid. Två videokameror används för att spela in större händelser, såsom cellventilation, termisk rusning och den efterföljande förbränningsprocessen. Cellens tillstånd, såsom yttemperatur, massförlust och spänning, registreras också. Med erhållna data kan cellpseudoegenskaper, ventilationsgaskompositioner och ventilationsmasshastighet härledas som funktioner av celltemperatur och cell-SOC. Medan testproceduren är utvecklad för en enda cylindrisk cell, kan den lätt utvidgas för att testa olika cellformat och studera brandutbredning mellan flera celler. De insamlade experimentella data kan också användas för utveckling av numeriska modeller för LIB-bränder.
Introduction
Under de senaste decennierna har litiumjonbatterier (LIB) vunnit popularitet och gynnats av enorma tekniska framsteg. På grund av olika fördelar (t.ex. hög energitäthet, lågt underhåll, låga självurladdnings- och laddningstider och lång livslängd) har LIB ansetts vara en lovande energilagringsteknik och används i stor utsträckning i olika applikationer, såsom stora energilagringssystem (ESS), elfordon (EV) och bärbara elektroniska enheter. Medan den globala efterfrågan på LIB-celler förväntas fördubblas från 725 GWh 2020 till 1 500 GWh 20301, har det skett en betydande ökning av bränder och explosioner relaterade till LIBs under de senaste åren2. Dessa olyckor visar de höga riskerna med LIB, vilket väcker oro över deras storskaliga användning. För att mildra dessa problem är det viktigt att få en grundlig förståelse för processen med LIB-termisk rusning som leder till bränder.
Tidigare olyckor har visat att LIB-celler misslyckas när cellelektrokemin störs av överhettning under onormala driftsförhållanden (såsom extern kortslutning, snabb urladdning, överladdning och fysisk skada) eller på grund av tillverkningsfel och dålig design 2,3,4. Dessa händelser leder till sönderdelning av det fasta elektrolytgränssnittet (SEI), vilket stimulerar mycket exoterma kemiska reaktioner mellan elektrodmaterial och elektrolyter. När värmen som produceras i dessa reaktioner överstiger den som försvinner, resulterar det i snabb självuppvärmning av cellerna, även känd som termisk rusning. Intern temperatur och tryck kan fortsätta stiga tills uppbyggt tryck får batteriet att brista och släppa ut brandfarliga, giftiga gaser med hög hastighet. I en flercellsbatterikonfiguration kan en termisk rusning i en enda cell, om den inte kontrolleras, leda till termisk rusningsutbredning till andra celler och incidenter av brand och explosion på katastrofala nivåer, särskilt i slutna utrymmen med begränsad ventilation. Detta utgör betydande hot mot människors säkerhet och strukturer.
Under de senaste decennierna har ett antal studier genomförts för att undersöka de termiska rusningsreaktionerna hos LIB: er som leder till förbränning av organiska elektrolyter inuti batteriet och utsläpp av brandfarliga gaser under olika uppvärmningsförhållanden 2,5,6,7,8,9,10,11,12. Till exempel visade Jhu et al.10 den farliga karaktären hos laddade cylindriska LIBs jämfört med oladdade med en adiabatisk kalorimeter. Många andra studier fokuserade på det termiska rusningsbeteendet hos LIBs vid olika laddningstillstånd (SOC). Till exempel undersökte Joshi et al.13 termisk rusning av olika typer av kommersiella LIBs (cylindriska och påse) vid olika SOC. Det noterades att celler vid högre SOC hade en högre chans att genomgå termisk rusning jämfört med de vid lägre SOC. Dessutom varierade minsta SOC för att en termisk rusning skulle inträffa med cellformat och kemier. Roth et al.11 testade cylindriska LIBs i en accelererande hastighetskalorimeter (ARC) och observerade att när SOC ökade minskade starttemperaturen för termisk rusning och accelerationshastigheten ökade. Golubkov et al.12 utvecklade en specialdesignad testbänk och visade att den maximala yttemperaturen för cylindriska LIBs kunde vara så hög som 850 °C. Ribière et al.14 använde en brandspridningsapparat för att undersöka de brandinducerade riskerna med påse LIBs och märkte att värmeavgivningshastigheten (HRR) och giftgasproduktionen varierade signifikant med cellen SOC. Chen et al.15 studerade brandbeteendet hos två olika 18650 LIBs (LiCoO2 och LiFePO4) vid olika SOC, med hjälp av en skräddarsydd in situ-kalorimeter. HRR, massförlust och maximal yttemperatur visade sig öka med SOC. Det visades också att explosionsrisken var högre för en fulladdad litiumkoboltoxid (LiCoO 2) katod 18650-cell jämfört med en litiumjärnfosfat (LiFePO2) katod 18650-cell. Fu et al.16 och Quang et al.17 utförde brandexperiment på LIBs (vid 0% –100% SOCs) med hjälp av en konkalorimeter. Det observerades att LIBs vid högre SOC resulterade i högre brandrisker på grund av kortare tid till antändning och explosion, högre HRR, högre yttemperatur och högre CO- och CO2-utsläpp.
Sammanfattningsvis har tidigare studier med olika kalorimetrar18,19 (ARC, adiabatisk kalorimetri, C80-kalorimetri och modifierad bombkalorimetri) gett rikliga data om de elektrokemiska och termiska processerna associerade med LIB-termisk rusning och bränder (t.ex. HRR, sammansättningar av de ventilerade gaserna) och deras beroenden av SOC, batterikemi och infallande värmeflöde2,3, 7,20. De flesta av dessa metoder utformades dock ursprungligen för konventionella fasta brännbara ämnen (t.ex. cellulosaprover, plast) och ger begränsad information när de tillämpas på LIB-bränder. Medan vissa tidigare tester mätte HRR och den totala energin som genererades från kemiska reaktioner, behandlades inte de kinetiska aspekterna av posttermiska skenbränder fullt ut.
Hur allvarliga farorna är vid termisk rusning beror huvudsakligen på arten och sammansättningen av de gaser som släpps ut 2,5. Därför är det viktigt att karakterisera de frigjorda gaserna, ventilationshastigheten och deras beroende av SOC. Några tidigare studier mätte ventilationsgaskompositionerna av LIB termisk rusning i en inert miljö (t.ex. i kväve eller argon)12,21,22; Brandkomponenten under termisk rusning uteslöts. Dessutom utfördes dessa mätningar mestadels efter experiment (istället för in situ). Utvecklingen av ventilationsgasens sammansättning under och efter termisk rusning, särskilt de som involverar bränder och giftiga gaser, förblev underutforskade.
Det är känt att termisk rusning stör batteriets elektrokemi och påverkar cellspänningen och temperaturen. Ett omfattande test för att karakterisera LIB: s termiska rusningsprocess bör därför ge samtidig mätning av temperatur, massa, spänning och ventilerade gaser (hastighet och sammansättning). Detta har inte uppnåtts i en enda inställning i de tidigare studierna. I denna studie utvecklas en ny apparat och ett nytt testprotokoll för att samla in tidsupplösta data om cellinformation, gaskompositioner och brandegenskaper under och efter termisk rusning av LIB-celler23. Provningsutrustningen visas i figur 1A. En stor (~ 600 L) miljökammare används för att begränsa den termiska rusningshändelsen. Kammaren är utrustad med en tryckavlastningsventil (med ett inställt mättryck vid 0,5 psig) för att förhindra tryckökning i kammaren. En Fouriertransform infraröd (FTIR) gasanalysator är ansluten till kammaren för in situ-gasprovtagning under hela testet. Den detekterar 21 gasarter (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 H6 O,C 3H 4 O och COF 2). FTIR-samplingsfrekvensen är 0,25 Hz. Dessutom installeras en fristående vätesensor inuti kammaren nära FTIR-provtagningsporten för att registreraH2-koncentrationen. Två pumpar (en 1,3 cfm kemikaliebeständig membranpump och en 0,5 hk vakuumpump) är installerade i kammarens avgasledning. Efter varje experiment följs en kammarrengöringsprocedur för att filtrera och pumpa kammargasen direkt till byggnadens avgasledning.
I varje experiment sätts cellen upp inuti kammaren i en provhållare (figur 1B). Termisk rusning utlöses av en proportionell integralderivat (PID)-styrd elektrisk värmetejp med en konstant uppvärmningshastighet på 10 °C/min. Cellytans temperaturer registreras av termoelement på tre olika platser längs cellens längd. Massförlusten av cellen mäts med en massbalans. Kammartrycket övervakas av en tryckgivare. Cellspänningen och strömingången (spänning och ström) till värmebandet registreras också. Alla sensoravläsningar (termoelement, massförlust, cellspänning, värmebandström och spänning) samlas in av ett anpassat datainsamlingsprogram med en hastighet av 2 Hz. Slutligen används två videokameror (1920 pixel x 1080 pixelupplösning) för att spela in hela experimentprocessen från två olika vinklar.
Målet med att utveckla denna nya testmetod är tvåfaldigt: 1) att karakterisera rök- och brandbeteenden i samband med LIB termisk rusning och 2) att tillhandahålla tidsupplösta experimentella data som möjliggör utveckling av numeriska modeller med hög validitet för batteribränder. Det långsiktiga målet är att öka förståelsen för hur termisk rusning fortplantar sig mellan celler i ett batteripaket och hur en batteribrand skalar upp när man går från enstaka celler till flercellsbatterier. I slutändan kommer detta att bidra till att förbättra riktlinjer och protokoll för att lagra och transportera LIB på ett säkert sätt.
Protocol
Representative Results
Discussion
De mest kritiska stegen i protokollet är de som rör de giftiga gaser som släpps ut i LIB-termisk rusning. Läckagetestet i steg 3.11 måste utföras noggrant för att säkerställa att de giftiga gaserna är inneslutna i kammaren under experimenten. Kammargasreningsprocedurerna (steg 7.1-7.14) måste också utföras korrekt för att minska risken från de giftiga gaserna. Giftiga gaser kan utgöra endast en liten del av ventilationsgasen under LIB-termisk rusning. Men även mycket låga koncentrationer av vissa giftig…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöds av UL Research Institutes. Alla battericeller i detta arbete konditionerades och förbereddes i professor Chris Yuans laboratorium vid Case Western Reserve University (CWRU). Testkammaren är utlånad till CWRU från NASA Glenn Research Center. Vi fick enormt stöd för FTIR-gasanalysatorn från en tidigare doktorand, Dr. Yumi Matsuyama vid CWRU, och teknisk support på H2-sensorn från Jeff Tucker, Brandon Wicks och Brian Engle från Amphenol Advanced Sensors. Vi uppskattar verkligen stödet från Pushkal Kannan och Boyu Wang på CWRU. Vi vill också uppmärksamma de tekniska diskussionerna med Alexandra Schraiber från 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)
