في الموقع تحليل الغاز وتوصيف الحريق لخلايا الليثيوم أيون أثناء الهروب الحراري باستخدام غرفة بيئية
Summary
هنا ، نصف إجراء اختبار تم تطويره لتوصيف الهروب الحراري والحرائق في خلايا الليثيوم أيون من خلال القياسات في الموقع لمعلمات مختلفة في غرفة بيئية.
Abstract
تم تطوير جهاز تجريبي وإجراءات تشغيل قياسية (SOP) لجمع البيانات التي تم حلها بمرور الوقت حول تركيبات الغاز وخصائص الحريق أثناء وبعد الهروب الحراري لخلايا بطارية ليثيوم أيون (LIB). يتم تكييف خلية أسطوانية 18650 بحالة الشحن المطلوبة (SOC ؛ 30٪ ، 50٪ ، 75٪ ، و 100٪) قبل كل تجربة. يتم دفع الخلية المكيفة إلى الهروب الحراري بواسطة شريط تسخين كهربائي بمعدل تسخين ثابت (10 °C / min) في غرفة بيئية (الحجم: ~ 600 لتر). الغرفة متصلة بمحلل غاز فورييه لتحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR) لقياسات التركيز في الوقت الفعلي. يتم استخدام اثنين من كاميرات الفيديو لتسجيل الأحداث الكبرى ، مثل تنفيس الخلية ، والهروب الحراري ، وعملية الحرق اللاحقة. يتم أيضا تسجيل ظروف الخلية ، مثل درجة حرارة السطح وفقدان الكتلة والجهد. من خلال البيانات التي تم الحصول عليها ، يمكن استنتاج الخصائص الزائفة للخلية ، وتركيبات تنفيس الغاز ، ومعدل كتلة التنفيس كوظائف لدرجة حرارة الخلية و SOC للخلية. بينما تم تطوير إجراء الاختبار لخلية أسطوانية واحدة ، يمكن توسيعه بسهولة لاختبار تنسيقات الخلايا المختلفة ودراسة انتشار الحريق بين خلايا متعددة. يمكن أيضا استخدام البيانات التجريبية التي تم جمعها لتطوير نماذج عددية لحرائق LIB.
Introduction
في العقود القليلة الماضية ، اكتسبت بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) شعبية واستفادت من التطورات التكنولوجية الهائلة. نظرا للمزايا المختلفة (على سبيل المثال ، كثافة الطاقة العالية ، والصيانة المنخفضة ، وأوقات التفريغ الذاتي والشحن المنخفضة ، والعمر الطويل) ، فقد تم اعتبار LIB تقنية واعدة لتخزين الطاقة وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات مختلفة ، مثل أنظمة تخزين الطاقة الكبيرة (ESSs) والمركبات الكهربائية (EVs) والأجهزة الإلكترونية المحمولة. في حين أنه من المتوقع أن يتضاعف الطلب العالمي على خلايا LIB من 725 جيجاوات ساعة في عام 2020 إلى 1500 جيجاوات ساعة في عام 20301 ، كانت هناك زيادة كبيرة في الحرائق والانفجارات المتعلقة ب LIBs في السنوات الأخيرة2. تظهر هذه الحوادث المخاطر العالية المرتبطة ب LIBs ، مما يثير مخاوف بشأن استخدامها على نطاق واسع. للتخفيف من هذه المخاوف ، من الأهمية بمكان الحصول على فهم شامل لعملية الهروب الحراري LIB التي تؤدي إلى الحرائق.
كشفت الحوادث السابقة أن خلايا LIB تفشل عندما تتعطل الكيمياء الكهربائية للخلية بسبب ارتفاع درجة الحرارة في ظروف التشغيل غير الطبيعية (مثل ماس كهربائى خارجي ، والتفريغ السريع ، والشحن الزائد ، والأضرار المادية) أو بسبب عيوب التصنيع وسوء التصميم2،3،4. تؤدي هذه الأحداث إلى تحلل واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI) ، مما يحفز التفاعلات الكيميائية الطاردة للحرارة بين مواد القطب والكهارل. عندما تتجاوز الحرارة الناتجة في هذه التفاعلات تلك التي يتم تبديدها ، فإنها تؤدي إلى تسخين ذاتي سريع للخلايا ، والمعروف أيضا باسم الهروب الحراري. يمكن أن تستمر درجة الحرارة والضغط الداخليان في الارتفاع حتى يتسبب الضغط المتراكم في تمزق البطارية وإطلاق غازات سامة قابلة للاشتعال بسرعة عالية. في تكوين بطارية متعددة الخلايا ، يمكن أن يؤدي الهروب الحراري في خلية واحدة ، إذا لم يتم التحكم فيه ، إلى انتشار حراري جامح إلى خلايا أخرى وحوادث حريق وانفجار على مستويات كارثية ، خاصة في الأماكن المغلقة ذات التهوية المحدودة. وهذا يشكل تهديدات كبيرة لسلامة الإنسان وهياكله.
في العقود القليلة الماضية ، تم إجراء عدد من الدراسات للتحقيق في التفاعلات الحرارية الهاربة ل LIBs مما يؤدي إلى احتراق الشوارد العضوية داخل البطارية وإطلاق الغازات القابلة للاشتعال في ظل ظروف تسخين مختلفة2،5،6،7،8،9،10،11،12. على سبيل المثال ، أظهر Jhu et al.10 الطبيعة الخطرة ل LIBs الأسطوانية المشحونة مقارنة بتلك غير المشحونة باستخدام مسعر ثابت الحرارة. ركزت العديد من الدراسات الأخرى على السلوك الحراري الجامح ل LIBs في حالات الشحن المختلفة (SOCs). على سبيل المثال ، قام Joshi et al.13 بالتحقيق في الهروب الحراري لأنواع مختلفة من LIBs التجارية (أسطوانية وحقيبة) في SOCs مختلفة. وقد لوحظ أن الخلايا في SOCs الأعلى لديها فرصة أكبر للخضوع للهروب الحراري مقارنة بتلك الموجودة في SOCs المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، يختلف الحد الأدنى من SOC لحدوث الهروب الحراري باختلاف تنسيقات الخلايا والكيميائيات. اختبر Roth et al.11 LIBs الأسطوانية في مسعر معدل متسارع (ARC) ولاحظ أنه مع زيادة SOC ، انخفضت درجة حرارة بداية الهروب الحراري وزاد معدل التسارع. طور Golubkov et al.12 حامل اختبار مصمم خصيصا وأظهر أن درجة حرارة السطح القصوى ل LIBs الأسطوانية يمكن أن تصل إلى 850 درجة مئوية. استخدم Ribière et al.14 جهاز انتشار الحريق للتحقيق في المخاطر الناجمة عن الحريق ل LIBs الحقيبة ولاحظ أن معدل إطلاق الحرارة (HRR) وإنتاج الغازات السامة يختلف اختلافا كبيرا مع الخلية SOC. درس Chen et al.15 سلوكيات الحريق لاثنين مختلفين من 18650 LIBs (LiCoO2 و LiFePO4) في SOCs مختلفة ، باستخدام مسعر حراري مخصص في الموقع. تم العثور على HRR ، وفقدان الكتلة ، ودرجة حرارة السطح القصوى لزيادة مع SOC. وقد ثبت أيضا أن خطر الانفجار كان أعلى بالنسبة لخلية كاثود أكسيد الكوبالت الليثيوم المشحونة بالكامل (LiCoO 2) 18650 مقارنة بخلية كاثود فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO2) 18650. أجرى Fu et al.16 و Quang et al.17 تجارب إطلاق النار على LIBs (عند 0٪ –100٪ SOCs) باستخدام مسعر مخروطي. وقد لوحظ أن LIBs عند ارتفاع SOC أدت إلى ارتفاع مخاطر الحريق بسبب فترات زمنية أقصر للاشتعال والانفجار ، وارتفاع HRR ، وارتفاع درجة حرارة السطح ، وارتفاع انبعاثات CO وCO 2.
للتلخيص ، قدمت الدراسات السابقة التي تستخدم مسعرات مختلفة18,19 (ARC ، وقياس السعرات الحرارية الكاظمة للحرارة ، وقياس السعرات الحرارية C80 ، وقياس السعرات الحرارية المعدلة للقنابل) بيانات وفيرة عن العمليات الكهروكيميائية والحرارية المرتبطة بالهروب الحراري LIB والحرائق (على سبيل المثال ، HRR ، تركيبات الغازات المنفوخة) واعتمادها على SOC ، وكيمياء البطارية ، وتدفق الحرارة الساقط 2,3 ، 7,20. ومع ذلك ، تم تصميم معظم هذه الطرق في الأصل للمواد القابلة للاحتراق الصلبة التقليدية (مثل عينات السليلوز والبلاستيك) وتوفر معلومات محدودة عند تطبيقها على حرائق LIB. في حين أن بعض الاختبارات السابقة قاست HRR وإجمالي الطاقة المتولدة من التفاعلات الكيميائية ، لم تتم معالجة الجوانب الحركية للحرائق الهاربة بعد الحرارة بشكل كامل.
تعتمد شدة المخاطر أثناء الهروب الحراري بشكل أساسي على طبيعة وتكوين الغازات المنبعثة 2,5. لذلك ، من المهم وصف الغازات المنبعثة ومعدل التنفيس واعتمادها على SOC. قامت بعض الدراسات السابقة بقياس تركيبات غازات التنفيس للهارب الحراري LIB في بيئة خاملة (على سبيل المثال ، في النيتروجين أو الأرجون)12،21،22 ؛ تم استبعاد عنصر الحريق أثناء الهروب الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء هذه القياسات في الغالب بعد التجارب (بدلا من الموقع). ولا تزال التطورات في تكوين غازات الفتحات أثناء الهروب الحراري وبعده ، وخاصة تلك التي تنطوي على حرائق وغازات سامة ، غير مستكشفة بشكل كاف.
من المعروف أن الهروب الحراري يعطل الكيمياء الكهربائية للبطارية ويؤثر على جهد الخلية ودرجة حرارتها. لذلك ، يجب أن يوفر الاختبار الشامل لتوصيف عملية الهروب الحراري ل LIB قياسا متزامنا لدرجة الحرارة والكتلة والجهد والغازات المهواة (المعدل والتكوين). لم يتحقق ذلك في إعداد واحد في الدراسات السابقة. في هذه الدراسة ، تم تطوير جهاز جديد وبروتوكول اختبار لجمع البيانات التي تم حلها زمنيا حول معلومات الخلية ، وتركيبات الغاز ، وخصائص الحريق أثناء وبعد الهروب الحراري لخلايا LIB23. يظهر جهاز الاختبار في الشكل 1 أ. يتم استخدام غرفة بيئية كبيرة (~ 600 لتر) لحصر الحدث الحراري الجامح. تم تجهيز الغرفة بصمام تخفيف الضغط (مع ضغط مقياس محدد عند 0.5 رطل لكل بوصة مربعة) لمنع ارتفاع الضغط في الغرفة. يتم توصيل محلل غاز فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) بالغرفة لأخذ عينات الغاز في الموقع طوال الاختبار. يكتشف 21 نوعا من الغازات (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 ، و COF 2). معدل أخذ العينات FTIR هو 0.25 هرتز. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تثبيت مستشعر هيدروجين مستقل داخل الغرفة بالقرب من منفذ أخذ العينات FTIR لتسجيل تركيز H2. يتم تركيب مضختين (مضخة غشاء مقاومة للمواد الكيميائية 1.3 قدم مكعب في الدقيقة ومضخة تفريغ 0.5 حصان) في خط عادم الغرفة. بعد كل تجربة ، يتم اتباع إجراء تنظيف الغرفة لتصفية وضخ غاز الغرفة مباشرة إلى خط عادم المبنى.
في كل تجربة ، يتم إعداد الخلية داخل الغرفة في حامل عينة (الشكل 1 ب). يتم تشغيل الهروب الحراري بواسطة شريط تسخين كهربائي يتم التحكم فيه بالمشتق النسبي (PID) بمعدل تسخين ثابت يبلغ 10 درجات مئوية / دقيقة. يتم تسجيل درجات حرارة سطح الخلية بواسطة المزدوجات الحرارية في ثلاثة مواقع مختلفة على طول الخلية. يتم قياس فقدان كتلة الخلية من خلال توازن الكتلة. يتم مراقبة ضغط الغرفة بواسطة محول الضغط. يتم أيضا تسجيل جهد الخلية ومدخلات الطاقة (الجهد والتيار) إلى شريط التسخين. يتم جمع جميع قراءات أجهزة الاستشعار (المزدوجات الحرارية ، وفقدان الكتلة ، وجهد الخلية ، وتيار شريط التسخين ، والجهد) بواسطة برنامج مخصص للحصول على البيانات بمعدل 2 هرتز. أخيرا ، يتم استخدام كاميرتي فيديو (دقة 1920 بكسل × 1080 بكسل) لتسجيل العملية الكاملة للتجارب من زاويتين مختلفتين.
الهدف من تطوير طريقة الاختبار الجديدة هذه ذو شقين: 1) توصيف سلوكيات الدخان والحريق المرتبطة بالهروب الحراري LIB و 2) توفير بيانات تجريبية تم حلها زمنيا تمكن من تطوير نماذج عددية عالية الصلاحية لحرائق البطاريات. الهدف على المدى الطويل هو تعزيز فهم كيفية انتشار الهروب الحراري بين الخلايا في حزمة البطارية وكيف يتوسع حريق البطارية عند الانتقال من الخلايا المفردة إلى البطاريات متعددة الخلايا. في النهاية ، سيساعد هذا في تحسين الإرشادات والبروتوكولات لتخزين ونقل LIBs بأمان.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الأكثر أهمية في البروتوكول هي تلك المتعلقة بالغازات السامة المنبعثة في الهروب الحراري LIB. يجب إجراء اختبار التسرب في الخطوة 3.11 بعناية لضمان حصر الغازات السامة في الغرفة أثناء التجارب. يجب أيضا إجراء إجراءات تنظيف غاز الغرفة (الخطوات 7.1-7.14) بشكل صحيح للتخفيف من خطر الغازات السامة. ق?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذه الدراسة مدعومة من قبل معاهد أبحاث UL. تم تكييف جميع خلايا البطارية في هذا العمل وإعدادها في مختبر البروفيسور كريس يوان في جامعة كيس ويسترن ريزيرف (CWRU). غرفة الاختبار على سبيل الإعارة إلى CWRU من مركز أبحاث جلين التابع لناسا. لقد تلقينا دعما هائلا على محلل الغاز FTIR من طالب دكتوراه سابق ، الدكتور يومي ماتسوياما في CWRU ، والدعم الفني على مستشعر H2 من جيف تاكر وبراندون ويكس وبريان إنجل من أجهزة استشعار Amphenol المتقدمة. نحن نقدر بصدق الدعم من بوشكال كنان وبويو وانغ في CWRU. نود أيضا أن نعرب عن تقديرنا للمناقشات الفنية مع ألكسندرا شرايبر من 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 |
References
- 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)
