In Situ Bir çevre odası kullanarak termal kaçak sırasında lityum-iyon hücrelerin gaz analizi ve yangın karakterizasyonu
Summary
Burada, lityum-iyon hücrelerdeki termal kaçak ve yangınları, bir çevre odasındaki çeşitli parametrelerin yerinde ölçümleri yoluyla karakterize etmek için geliştirilen bir test prosedürünü açıklıyoruz.
Abstract
Lityum-iyon pil (LIB) hücrelerinin termal kaçağı sırasında ve sonrasında gaz bileşimleri ve yangın özellikleri hakkında zamana göre çözümlenmiş verileri toplamak için deneysel bir cihaz ve standart bir çalışma prosedürü (SOP) geliştirilmiştir. 18650 silindirik bir hücre, her deneyden önce istenen bir yük durumuna (SOC; % 30,% 50,% 75 ve% 100) şartlandırılır. Şartlandırılmış hücre, bir çevre odasında (hacim: ~ 600 L) sabit bir ısıtma hızında (10 ° C / dak) bir elektrikli ısıtma bandı tarafından termal bir kaçağa zorlanır. Oda, gerçek zamanlı konsantrasyon ölçümleri için bir Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) gaz analizörüne bağlanır. Hücre havalandırması, termal kaçak ve sonraki yazma işlemi gibi önemli olayları kaydetmek için iki video kamera kullanılır. Hücrenin yüzey sıcaklığı, kütle kaybı ve voltaj gibi koşulları da kaydedilir. Elde edilen verilerle, hücre psödo-özellikleri, havalandırma gazı bileşimleri ve havalandırma kütle hızı, hücre sıcaklığının ve hücre SOC’sinin fonksiyonları olarak çıkarılabilir. Test prosedürü tek bir silindirik hücre için geliştirilirken, farklı hücre formatlarını test etmek ve birden fazla hücre arasındaki yangın yayılımını incelemek için kolayca genişletilebilir. Toplanan deneysel veriler, LIB yangınları için sayısal modellerin geliştirilmesinde de kullanılabilir.
Introduction
Son birkaç on yılda, lityum-iyon piller (LIB’ler) popülerlik kazanmış ve muazzam teknolojik gelişmelerden yararlanmıştır. Çeşitli avantajlar (örneğin, yüksek enerji yoğunluğu, düşük bakım, düşük kendi kendine deşarj ve şarj süreleri ve uzun kullanım ömrü) nedeniyle, LIB umut verici bir enerji depolama teknolojisi olarak kabul edilmiştir ve büyük enerji depolama sistemleri (ESS’ler), elektrikli araçlar (EV’ler) ve taşınabilir elektronik cihazlar gibi çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. LIB hücrelerine yönelik küresel talebin 2020’de 725 GWh’den 2030’da 1.500 GWh’ye iki katına çıkması beklenirken, son yıllarda LIB’lerle ilgili yangın ve patlamalarda önemli bir artış olmuştur2. Bu kazalar, LIB’lerle ilişkili yüksek riskleri göstermekte ve büyük ölçekli kullanımlarıyla ilgili endişeleri artırmaktadır. Bu endişeleri hafifletmek için, yangınlara yol açan LIB termal kaçak süreci hakkında kapsamlı bir anlayış kazanmak çok önemlidir.
Önceki kazalar, hücre elektrokimyası anormal çalışma koşullarında (harici kısa devre, hızlı boşalma, aşırı şarj ve fiziksel hasar gibi) aşırı ısınma nedeniyle veya üretim hataları ve kötü tasarımnedeniyle bozulduğunda LIB hücrelerinin başarısız olduğunu ortaya koymuştur 2,3,4. Bu olaylar, elektrot malzemeleri ve elektrolitler arasında oldukça ekzotermik kimyasal reaksiyonları uyaran katı-elektrolit arayüzünün (SEI) ayrışmasına yol açar. Bu reaksiyonlarda üretilen ısı, dağılmakta olan ısıyı aştığında, termal kaçak olarak da bilinen hücrelerin hızlı bir şekilde kendi kendine ısınmasına neden olur. Dahili sıcaklık ve basınç, biriken basınç pilin kopmasına ve yanıcı, toksik gazları yüksek hızda serbest bırakmasına neden olana kadar yükselmeye devam edebilir. Çok hücreli bir pil konfigürasyonunda, tek bir hücredeki termal kaçak, kontrol edilmezse, diğer hücrelere termal kaçak yayılımına ve özellikle sınırlı havalandırmaya sahip kapalı alanlarda, felaket seviyelerinde yangın ve patlama olaylarına yol açabilir. Bu, insan güvenliği ve yapıları için önemli tehditler oluşturmaktadır.
Son birkaç on yılda, LIB’lerin batarya içindeki organik elektrolitlerin yanmasına ve farklı ısıtma koşulları altında yanıcı gazların salınmasına yol açan termal kaçak reaksiyonlarını araştırmak için bir dizi çalışma yapılmıştır 2,5,6,7,8,9,10,11,12. Örneğin, Jhu ve ark.10, yüklü silindirik LIB’lerin adyabatik kalorimetre kullanan yüksüz olanlara kıyasla tehlikeli doğasını göstermiştir. Diğer birçok çalışma, LIB’lerin farklı şarj durumlarındaki (SOC’ler) termal kaçak davranışlarına odaklanmıştır. Örneğin, Joshi ve ark.13, farklı SOC’lerde çeşitli ticari LIB türlerinin (silindirik ve kese) termal kaçağını araştırdı. Daha yüksek SOC’lerdeki hücrelerin, düşük SOC’lerdekilere kıyasla termal kaçak geçirme şansının daha yüksek olduğu fark edildi. Ek olarak, bir termal kaçağın meydana gelmesi için minimum SOC, hücre formatlarına ve kimyasallara göre değişmiştir. Roth ve ark.11, silindirik LIB’leri hızlanan bir kalorimetre (ARC) içinde test etmiş ve SOC arttıkça, termal kaçağın başlangıç sıcaklığının azaldığını ve hızlanma oranının arttığını gözlemlemiştir. Golubkov ve ark.12 özel olarak tasarlanmış bir test standı geliştirdiler ve silindirik LIB’lerin maksimum yüzey sıcaklığının 850 ° C’ye kadar çıkabileceğini gösterdiler. Ribière ve ark.14, torba LIB’lerinin yangına bağlı tehlikelerini araştırmak için bir yangın yayılma aparatı kullandılar ve ısı salınım hızının (HRR) ve toksik gaz üretiminin hücre SOC’si ile önemli ölçüde değiştiğini fark ettiler. Chen ve ark.15, farklı SOC’lerde iki farklı 18650 LIB’nin (LiCoO2 ve LiFePO4) yangın davranışlarını inceledi. özel yapım bir yerinde kalorimetre kullanarak. HRR, kütle kaybı ve maksimum yüzey sıcaklığının SOC ile arttığı bulunmuştur. Ayrıca, tam yüklü bir lityum kobalt oksit (LiCoO 2) katot 18650 hücresi için patlama riskinin, bir lityum demir fosfat (LiFePO2) katot 18650 hücresine kıyasla daha yüksek olduğu gösterilmiştir. Fu ve ark.16 ve Quang ve ark.17, bir koni kalorimetresi kullanarak LIB’ler (% 0 -% 100 SOC’lerde) üzerinde yangın deneyleri yaptılar. Daha yüksek bir SOC’deki LIB’lerin, daha kısa tutuşma ve patlama süreleri, daha yüksek HRR, daha yüksek yüzey sıcaklığı ve daha yüksek CO ve CO2 emisyonları nedeniyle daha yüksek yangın tehlikelerine neden olduğu gözlenmiştir.
Özetlemek gerekirse, farklı kalorimetreler18,19 (ARC, adyabatik kalorimetri, C80 kalorimetrisi ve modifiye bomba kalorimetrisi) kullanan önceki çalışmalar, LIB termal kaçak ve yangınlarla ilişkili elektrokimyasal ve termal süreçler (örneğin, HRR, havalandırılan gazların bileşimleri) ve bunların SOC, pil kimyası ve olay ısı akışı 2,3’e bağımlılıkları hakkında bol miktarda veri sağlamıştır. 7,20. Bununla birlikte, bu yöntemlerin çoğu başlangıçta geleneksel katı yanıcılar (örneğin, selüloz numuneleri, plastik) için tasarlanmıştır ve LIB yangınlarına uygulandığında sınırlı bilgi sağlar. Önceki bazı testler HRR’yi ve kimyasal reaksiyonlardan üretilen toplam enerjiyi ölçerken, termal kaçak yangınların kinetik yönleri tam olarak ele alınmamıştır.
Termal kaçak sırasındaki tehlikelerin ciddiyeti esas olarak salınan gazların doğasına ve bileşimine bağlıdır 2,5. Bu nedenle, salınan gazları, havalandırma oranını ve SOC’ye bağımlılıklarını karakterize etmek önemlidir. Önceki bazı çalışmalar, inert bir ortamda (örneğin, azot veya argonda) LIB termal kaçağının havalandırma gazı bileşimlerini ölçtü 12,21,22; termal kaçak sırasında yangın bileşeni hariç tutuldu. Ek olarak, bu ölçümler çoğunlukla deney sonrası (in situ yerine) gerçekleştirildi. Termal kaçak sırasında ve sonrasında havalandırma gazı bileşiminin evrimi, özellikle yangınlar ve toksik gazlar içerenler, yeterince araştırılmamıştır.
Termal kaçağın akünün elektrokimyasını bozduğu ve hücre voltajını ve sıcaklığını etkilediği bilinmektedir. Bu nedenle, LIB’nin termal kaçak sürecini karakterize etmek için kapsamlı bir test, sıcaklık, kütle, voltaj ve havalandırılan gazların (oran ve bileşim) eşzamanlı ölçümünü sağlamalıdır. Bu, önceki çalışmalarda tek bir kurulumda başarılamamıştır. Bu çalışmada, LIB hücrelerinin termal kaçağı sırasında ve sonrasında hücre bilgileri, gaz bileşimleri ve yangın özellikleri hakkında zamana bağlı verileri toplamak için yeni bir cihaz ve test protokolü geliştirilmiştir23. Test cihazı Şekil 1A’da gösterilmiştir. Termal kaçak olayını sınırlamak için büyük (~ 600 L) bir çevre odası kullanılır. Oda, odadaki basınç artışını önlemek için bir basınç tahliye valfi (0,5 psig’de ayarlanmış bir gösterge basıncı ile) ile donatılmıştır. Test boyunca yerinde gaz örneklemesi için bir Fourier dönüşümü kızılötesi (FTIR) gaz analizörü odaya bağlanır. 21 gaz türünü tespit eder (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, C3H8, C 6 H14, CH 4, HCHO, C 6 H 6O, C3H 4O ve COF 2). FTIR örnekleme hızı 0,25 Hz’dir. Ek olarak,H2 konsantrasyonunu kaydetmek için FTIR örnekleme portunun yakınındaki odanın içine bağımsız bir hidrojen sensörü monte edilmiştir. Hazne egzoz hattına iki pompa (1,3 cfm kimyasal maddelere dayanıklı diyaframlı pompa ve 0,5 hp vakum pompası) monte edilmiştir. Her deneyden sonra, oda gazını filtrelemek ve doğrudan bina egzoz hattına pompalamak için bir oda temizleme prosedürü izlenir.
Her deneyde, hücre odanın içine bir numune tutucuda yerleştirilir (Şekil 1B). Termal kaçak, 10 °C / dak sabit bir ısıtma hızında orantılı-integral-türev (PID) kontrollü bir elektrikli ısıtma bandı tarafından tetiklenir. Hücre yüzey sıcaklıkları, termokupllar tarafından hücrenin uzunluğu boyunca üç farklı yerde kaydedilir. Hücrenin kütle kaybı bir kütle dengesi ile ölçülür. Oda basıncı bir basınç transdüseri ile izlenir. Hücre voltajı ve ısıtma bandına güç girişi (voltaj ve akım) da kaydedilir. Tüm sensör okumaları (termokupllar, kütle kaybı, hücre voltajı, ısıtma bandı akımı ve voltaj) özel bir veri toplama programı tarafından 2 Hz hızında toplanır. Son olarak, deneylerin tüm sürecini iki farklı açıdan kaydetmek için iki video kamera (1920 piksel x 1080 piksel çözünürlük) kullanılır.
Bu yeni test yönteminin geliştirilmesinin amacı iki yönlüdür: 1) LIB termal kaçağı ile ilişkili duman ve yangın davranışlarını karakterize etmek ve 2) batarya yangınları için yüksek geçerliliğe sahip sayısal modellerin geliştirilmesini sağlayan zamana bağlı deneysel veriler sağlamak. Uzun vadeli hedef, termal kaçağın bir pil paketindeki hücreler arasında nasıl yayıldığını ve tek hücrelerden çok hücreli pillere geçerken bir pil yangınının nasıl ölçeklendiğini anlamayı ilerletmektir. Sonuçta, bu, LIB’lerin güvenli bir şekilde depolanması ve taşınması için kılavuzların ve protokollerin geliştirilmesine yardımcı olacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokoldeki en kritik adımlar, LIB termal kaçağında salınan zehirli gazlarla ilgili olanlardır. Adım 3.11’deki sızıntı testinin, deneyler sırasında toksik gazların odada hapsedildiğinden emin olmak için dikkatli bir şekilde yapılması gerekir. Oda gazı temizleme prosedürleri (adım 7.1-7.14) de toksik gazlardan kaynaklanan tehlikeyi azaltmak için uygun şekilde yapılmalıdır. Zehirli gazlar, LIB termal kaçağı sırasında havalandırma gazının sadece küçük bir kısmını oluşturabilir. Bunu…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma UL Araştırma Enstitüleri tarafından desteklenmektedir. Bu çalışmadaki tüm pil hücreleri, Prof. Chris Yuan’ın Case Western Reserve Üniversitesi’ndeki (CWRU) laboratuvarında şartlandırıldı ve hazırlandı. Test odası, NASA Glenn Araştırma Merkezi’nden CWRU’ya ödünç verildi. CWRU’daki eski bir doktora öğrencisi olan Dr. Yumi Matsuyama’dan FTIR gaz analizörü konusunda muazzam destek ve Amphenol Advanced Sensors’tan Jeff Tucker, Brandon Wicks ve Brian Engle’denH2 sensörü hakkında teknik destek aldık. CWRU’daki Pushkal Kannan ve Boyu Wang’ın desteğini içtenlikle takdir ediyoruz. UL Solutions’dan Alexandra Schraiber ile yapılan teknik tartışmaları da kabul etmek isteriz.
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)
