Quantifizierung der Energiefreisetzung für Li

Dieser Artikel stellt einen experimentellen Rahmen zur Charakterisierung der Energie vor, die bei thermischen Durchgehensereignissen bei Li-Ionen-Zellen und Batteriepaketen freigesetzt wird, die in Anwendungen von Elektrofahrzeugen über Unterhaltungselektronik und medizinische Geräte bis hin zu Luft- und Raumfahrtanwendungen eingesetzt werden. Es wird eine kurze Einführung in Lithium-Ionen-Batterien und das thermische Durchgehen von Batterien gegeben. Der Artikel beschreibt dann verschiedene Methoden zur Energiefreisetzung in Zellen, die einem thermischen Durchgehen ausgesetzt sind.

Bei der ersten Methode wird eine Zelle in einem versiegelten Druckbehälter getestet. Dies ermöglicht die Abschätzung des durch thermisches Durchgehen erzeugten Gasvolumens und eine quantitative Bewertung der Abgaszusammensetzung. Diese Technik wird im Allgemeinen verwendet, um die mit thermischem Durchgehen verbundenen Entflammbarkeitsgefahren zu bewerten. Die zweite beschriebene Methode ist die Sauerstoffverbrauchskalorimetrie. Diese Technik ermöglicht mittels chemischer Analyse eine Abschätzung der von einer Zelle im thermischen Durchgehen freigesetzten Wärme (d. h. wie viel Sauerstoff verbraucht wurde und welche Wärmefreisetzung damit einhergeht).

Die dritte und vierte Methode umfassen zwei Techniken zur Abschätzung der während eines thermischen Durchgehens einer Batterie gewonnenen Energie: die Beschleunigungsratenkalorimetrie (ARC) und eine neuartige Methode zur Schätzung der sensiblen Energie, die während eines thermischen Durchgehens einer Batterie freigesetzt wird, unter Verwendung eines fraktionierten thermischen Durchgehens Kalorimeter (FTRC)-Gerät.

In den letzten zehn Jahren haben sich Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ion) zur Energiespeichertechnologie der Wahl für verschiedene Branchen entwickelt, darunter Automobil-, Unterhaltungselektronik- und Luft- und Raumfahrtanwendungen. Da sich die Chemie von Li-Ionen-Batterien verbessert, haben die Energie- und Leistungsdichten der Batterien zugenommen. Steigende Energiedichten, einschließlich der Implementierung von Lithium-Metall-haltigen Zellen, führen zu höheren potenziellen Risiken und/oder einer höheren Schwere von Batterieausfällen. Das erhöhte Risiko ist sowohl auf das Vorhandensein höherer Energiemengen als auch auf dünnere und engere Toleranzen interner Komponenten zurückzuführen.

Ein katastrophaler Ausfallmechanismus, der zu Batteriebränden führen kann, ist ein thermisches Durchgehen. In großen Mehrzellenpaketen, wie sie üblicherweise in Elektrofahrzeugen oder stationären Energiespeichersystemen verwendet werden, kann die von einer ausgefallenen Zelle erzeugte Wärme benachbarte Zellen aufheizen, was zu einer thermischen Kaskade im gesamten Batteriepaket führen kann. Es wird allgemein davon ausgegangen, dass es bei einer Population von Lithium-Ionen-Akkus gelegentlich zu Ausfällen einzelner Zellen kommt. Dieses Potenzial für die Ausbreitung von Fehlern stellt ein erhöhtes Risiko für Eigentum und Sicherheit dar.

Underwriters Laboratories (UL) hat kürzlich eine neue Testmethode (UL 9540A, Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems) entwickelt, die speziell darauf abzielt, die Neigung von Energiespeichersystemen zur Ausbreitung von Ausfällen zu bewerten. Ein Grund für die Besorgnis über die Ausbreitung von Ausfällen besteht darin, dass thermische Instabilitäten zur Freisetzung brennbarer Gase führen können, und diese Gase können einen Brand oder ein Überdruckereignis auslösen, wenn sie in einem begrenzten Bereich entzündet werden. Bei mehreren Ausfällen aufgrund der Ausbreitung wird in der Folge eine größere Menge brennbarer Gase freigesetzt.

Eine genaue Bewertung der bei einem thermischen Durchgehen der Batterie abgegebenen Energie ist sowohl unter Sicherheits- als auch unter Leistungsgesichtspunkten von entscheidender Bedeutung für die Konstruktion jedes batteriebetriebenen Produkts. Genaue Energieertragsschätzungen sind für eine Vielzahl von Aufgaben wertvoll, unter anderem für:

Die bei einem thermischen Durchgehen der Batterie freigesetzte Energie kann grob abgeschätzt werden, indem die sensiblen Energie- und chemischen Energiekomponenten bewertet werden, die sich während des Ereignisses entwickelt haben. Die sensiblen Energiekomponenten können bewertet werden, indem die Energiemenge abgeschätzt wird, die erforderlich ist, um die Temperatur des Zellkörpers, der Gase und des Auswurfs auf die Werte zu erhöhen, die bei einem thermischen Durchgehen-Fehler (vor dem Auftreten eines Verbrennungsereignisses) auftreten. Die chemische Energiekomponente kann durch Schätzung der Energie abgeschätzt werden, die durch die Verbrennung der Abgase nach ihrer Freisetzung aus dem Zellkörper während des thermischen Durchgehens freigesetzt wird. Die Charakterisierung der Verbrennungsenergie erfordert eine Charakterisierung der Zusammensetzung und Menge der während des Fehlerereignisses freigesetzten Abgase.

Die folgenden Abschnitte bieten einen Überblick über einen thermischen Durchgehensausfall einer Batterie sowie eine Reihe von Techniken, die zur Charakterisierung der bei einem Batterieausfall und seinen Komponenten gewonnenen Energie verwendet werden können.

Ein thermisches Durchgehen tritt auf, wenn die Innentemperatur einer Zelle unkontrolliert ansteigt und zu ihrem Ausfall führt. In der ersten Phase des thermischen Durchgehens zersetzt sich die SEI-Schicht (Solid Electrode Interface) in einer exothermen Reaktion. Anschließend kommt es zu einer exothermen Reaktion zwischen den eingelagerten Li-Ionen und dem Elektrolyten. Wenn die positiven Elektrodenmaterialien mit dem Elektrolyten reagieren, wird im Inneren der Zelle Sauerstoff freigesetzt, der Elektrolyt zersetzt sich und die Zelle zerfällt. Während der thermischen Zersetzung der Li-Ionen-Zelle entstehen durch den Temperaturanstieg Gase, die durch Druckentlastungsöffnungen freigesetzt werden, wenn der Druck im Inneren der Zelle über einen vorgesehenen Entlastungsdruck ansteigt oder wenn das Gehäuse der Zelle versagt. Bei Li-Ionen-Zellen sind diese Gase heiß und brennbar, was zu einer Gefahr werden kann, wenn ein Akku nicht darauf ausgelegt ist, die Ursachen und Folgen des thermischen Durchgehens zu kontrollieren.

Alle Thermal Runaway-Ereignisse sind das Ergebnis eines Anstiegs der Zelltemperatur. Dieser Temperaturanstieg kann mehrere Ursachen haben, unter anderem:

Bei einem thermischen Durchgehen erzeugt die Zelle Gase, die sich in der Zelle ansammeln. Einige Zelldesigns (z. B. zylindrische Zellen) umfassen eine oder mehrere Entlüftungsöffnungen, die sich öffnen, um die Gase freizusetzen. In einigen Fällen können diese Entlüftungsöffnungen verstopft sein oder die Gase nicht ausreichend ableiten können, was zum Bruch des Zellgehäuses führen kann. Andere Zellformfaktoren, wie z. B. Pouch-Zellen, verfügen oft über keine spezielle Entlüftung und die Gase werden an Schwachstellen im äußeren Beutel freigesetzt, typischerweise in der Nähe der Laschen der Zelle oder entlang der Beutelnähte bei unbeschränkten Zellen.

Die Zusammensetzung des Abgases, die Entflammbarkeitseigenschaften und die potenzielle Verbrennungsenergie, die im Falle einer Entzündung freigesetzt wird, können bewertet werden, indem in einem Testgerät mit versiegeltem Gefäß ein Zellausfall erzwungen wird. Der versiegelte Behälter dient zur Aufnahme der Batterieentlüftungsgase und zur Quantifizierung des Entlüftungsgasvolumens durch Verfolgung des Temperatur- und Druckanstiegs im Behälter. Das Prüfgerät für versiegelte Gefäße verfügt über eine Probenahmeöffnung, durch die die entlüfteten Gase in einem Probenkanister gesammelt und mithilfe von Techniken wie Gaschromatographie (GC) und Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) auf ihre Zusammensetzung analysiert werden können. Beachten Sie, dass abhängig von der Zellkapazität je nach erwartetem entlüftetem Gasvolumen unterschiedliche versiegelte Gefäßgrößen verwendet werden müssen. Abbildung 1 zeigt ein Foto eines versiegelten 60-Liter-Behälters, der mit einer 20-Liter-Brennkammer verbunden ist und für Batterieentlüftungsgas-Explosionstests verwendet wird.

Abbildung 1: Foto eines versiegelten 60-Liter-Behälters, der mit einer 20-Liter-Brennkammer für Batterieentlüftungsgas-Explosionstests verbunden ist

Wir haben zuvor ein Papier erstellt, in dem die Methodik für diese Art von Tests dargelegt wird [3]. Die präsentierten Ergebnisse bezogen sich auf kleinformatige Li-Ionen-Pouchzellen (7,7 Wh nominal, 2,1 Ah, 3,7 V), obwohl sowohl die vorgestellten Test- als auch Analysemethoden in ähnlicher Weise auf Zellen mit größerem Format angewendet werden könnten. Die Zellen bestanden aus einer negativen Elektrode mit Graphit-Aktivmaterial und einer positiven Elektrode mit LiCoO2-Aktivmaterial. Beachten Sie, dass die Zellchemie, die Zellgeometrie, die Umgebungsatmosphäre sowie die Art und Weise, wie der thermische Durchgehensprozess eingeleitet wird, das quantitative Verhalten des Fehlers beeinflussen.

Tabelle 1 fasst die während eines Thermal Runaway-Ereignisses für Pouch-Zellen in drei verschiedenen Ladezuständen entweichende Gasmenge zusammen (eine ausführlichere Beschreibung finden Sie in [1]). Zum Vergleich wird das angegebene Volumen auf Standarddruck und -temperatur bezogen. Es ist zu beachten, dass bei großen Batteriepacks eine beträchtliche Menge an freigesetztem Gas entstehen kann.

Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigen (1) das Entlüftungsgasvolumen als Funktion des Zellen-SOC und (2) die Gaszusammensetzung für verschiedene SOCs. Mit Ausnahme von Kohlendioxid sind alle in Tabelle 2 aufgeführten Stoffe brennbar. Darüber hinaus sind Kohlenmonoxid und einige der Kohlenwasserstoffe nicht nur brennbar, sondern können auch erhebliche Gesundheitsrisiken darstellen.

Beachten Sie, dass Tabelle 2 den Artenvolumenanteil der Abgase zusammenfasst. Das absolute Volumen jeder Spezies hängt vom Gesamtvolumen des entlüfteten Gases ab, das mit zunehmendem SOC zunimmt. Daher ist das Gesamtvolumen des aus einer Zelle mit 150 % SOC freigesetzten Wasserstoffs deutlich höher als aus einer Zelle mit 50 % SOC, obwohl die Wasserstoffvolumenanteile ähnlich sind. Die Verbrennungseigenschaften der abgelassenen Gase sind in Tabelle 3 zusammengefasst und mit denen herkömmlicher Gase verglichen. Die Verbrennungseigenschaften der abgelassenen Gase ähneln denen typischer Kohlenwasserstoffe, obwohl viel Kohlendioxid vorhanden ist. Ein weiterer zu beachtender Punkt ist, dass die Gase, die bei Ausfällen von Li-Ionen-Zellen austreten, einen breiteren Verbrennungsbereich haben als typische Kohlenwasserstoffe, was die Entzündungsgefahr erhöht (wahrscheinlich aufgrund des Vorhandenseins von Wasserstoff). Weitere Informationen zur Testmethodik zur Bewertung der Explosionseigenschaften von Batterieentlüftungsgas finden Sie in [1,2].

Die Sauerstoffverbrauchskalorimetrie wird seit vielen Jahren eingesetzt, um die bei der Verbrennung von Stoffen oder anderen typischen organischen Materialien freigesetzte Wärme abzuschätzen. Die etablierte Technik hat im Hinblick auf die Bewertung der Wärmeabgabe von Batterien neue Relevanz gefunden. In einem Sauerstoffverbrauchskalorimeter kommt es normalerweise zu einer Entzündung und Verbrennung einer Probe, nachdem sie einer externen Erwärmung ausgesetzt wurde. Die bei der Verbrennung freigesetzte Energie und das Volumen der Verbrennungsprodukte werden durch die Erfassung und Analyse der Sauerstoff-, Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidgehalte der Abgase bestimmt.

Die Standardmethode, mit der die Ergebnisse des Kegelkalorimeters verarbeitet werden, wird manchmal geändert, um der komplexen Zusammensetzung einer Li-Ionen-Zelle Rechnung zu tragen. Eine detaillierte Beschreibung der Herausforderungen, die mit der Durchführung der Kalorimetrie von Li-Ionen-Zellen verbunden sind, wird in [5] diskutiert. Bei der Verbrennung geht es oft nicht nur um die Verbrennung der ausströmenden Gase, sondern auch um feste Bestandteile der Zelle selbst, die verbrennen und Energie freisetzen.

Um die Energiemenge zu quantifizieren, die von einer Zelle im Brandfall freigesetzt werden kann, wurden kleinformatige Li-Ionen-Pouchzellen (7,7 Wh nominal, 2,1 Ah, 3,7 V) in einem Kegelkalorimeter getestet. Die Entwicklung der freigesetzten Gase, des verbrauchten Sauerstoffs und des Massenverlusts aus der Verbrennungsreaktion der mit 50 % SOC geladenen Li-Ionen-Zelle ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2a. zeigt einen anfänglichen Anstieg der Produktionsraten von CO2 und CO bei gleichzeitigem anfänglichen Massenverlust an Zellmaterial (Abbildung 2c.) für etwa 15 Sekunden, beginnend bei etwa 50 Sekunden. Diese Phase entspricht der Zündung der entlüfteten Gase. Die Freisetzung von Verbrennungsgasen geht mit einem anfänglichen Anstieg des Sauerstoffverbrauchs einher, wie in Abbildung 2b dargestellt. Während dieser Zeit ist das Schüttgut innerhalb der Li-Ionen-Zelle nicht an der Verbrennungsreaktion beteiligt. Elektrolytdämpfe sind höchstwahrscheinlich der Hauptverursacher der Verbrennung in dieser ersten Phase.

Nach der 1. Phase ist bei etwa 65 Sekunden ein Übergang zu einer schnelleren Reaktionskinetik zu beobachten. Erhöhungen der CO2- und CO-Produktionsraten in Verbindung mit einem Anstieg des Sauerstoffverbrauchs sind in den Abbildungen 2a., 2b. und 2c dargestellt. Dieser starke Anstieg wird durch Änderungen in der Steigung der Produktions-, Verbrauchs- und Massenverlustratenkurven bestätigt. In diesem Stadium ist das Schüttgut innerhalb der Zelle am Verbrennungsprozess beteiligt. Diese 2. Phase dauert etwa 35 Sekunden, bevor es zur Auslöschung kommt. Die Spitzenwerte von CO2 und CO liegen bei 1,3 bzw. 0,02 g/s. Der Gesamtmasseverlust am Ende des Tests beträgt etwa 8,4 g. Dieser Massenverlust wird mit der Gesamtmasse der in der Li-Ionen-Zelle vorhandenen organischen Verbindungen verglichen und wird auf etwa 9,0 g geschätzt.

Abbildung 2: (a) CO2- und CO-Produktionsraten, (b) O2-Verbrauchsrate und (c) Massenverlust durch die Verbrennung einer Li-Ionen-Zelle, die mit 50 % SOC geladen ist

Obwohl das Kegelkalorimeter zur Bestimmung mehrerer Parameter verwendet werden kann (z. B. kritischer Wärmefluss für die Zündung, Zündzeit usw.), ist einer der wichtigsten gemessenen Parameter die Wärmefreisetzungsrate (HRR). Die HRR ist die durch den Verbrennungsprozess pro Zeiteinheit erzeugte Energiemenge (typischerweise ausgedrückt in kW). Es ist der wichtigste Parameter zur Bestimmung der mit einem bestimmten Material oder Produkt verbundenen Brandgefahr und zur Gestaltung von Brandschutzsystemen. Abbildung 3 zeigt die Entwicklung der Wärmefreisetzungsrate als Funktion der Zeit für eine 7,7-Wh-Li-Ionen-Zelle bei 0 %, 50 % und 100 % SOC. Auf dem Höhepunkt des Verbrennungsereignisses setzt das Feuer etwa 22 kW, 13 kW und 2 kW Leistung für Zell-SOCs frei, die 100 %, 50 % bzw. 0 % entsprechen. Auch hier ist die Wärmefreisetzungsrate stark vom Ladezustand der Zelle abhängig.

Abbildung 3: Wärmefreisetzungsrate (HRR) während der Verbrennung einer 7,7 Wh Li-Ionen-Zelle bei 0 %, 50 % und 100 % SOC

Ein Beschleunigungsratenkalorimeter (ARC) ist ein Instrument zur Charakterisierung des Selbsterwärmungsverhaltens von Materialien und der Reaktionskinetik, das in den letzten Jahren häufig zum Verständnis der thermischen Durchgehensprozesse von Batterien eingesetzt wird.

Beim ARC-Testen von Batterien folgt das Protokoll typischerweise einem Heat-Wait-Search-Algorithmus (HWS), der Wärmeverluste von der Probe an die Umgebung minimiert. Genauer gesagt werden das ARC-System und die Probe zunächst auf einen festgelegten Temperaturpunkt erhitzt und unabhängig voneinander auf Temperatur überwacht. Beide können dann eine bestimmte Zeit lang warten, bis sich die Temperaturen angeglichen haben, bevor sie aktiv nach einem Temperaturanstieg in der Probe suchen. Wenn keine Selbsterwärmung der Probe festgestellt wird, geht das System zum nächsten Temperaturschritt über, typischerweise 5 °C oder 10 °C, und beginnt den HWS-Prozess erneut.

Sobald das System während eines Suchschritts eine Selbsterwärmung der Probe erkennt, erhöht das System ihre Temperatur, um sie an die Probentemperatur anzupassen, und schafft so eine adiabatische Umgebung. Diese Temperaturverfolgung wird fortgesetzt, bis die Zelle thermisch ausfällt oder ein festgelegter Temperatursollwert erreicht wird. Die Auswertung der Selbsterwärmung als Funktion der Temperatur, der Zellspannung und manchmal des entwickelten Gases/Drucks für ARC-Tests in einem verschlossenen Gefäß ermöglicht die Analyse verschiedener chemischer Reaktionen und Ereignisse, die beim thermischen Versagen einer Zelle auftreten. Dazu gehören die Zersetzung der Festelektrolytschnittstelle (SEI), Elektrolytaustritt aus Zellgehäusen, Separatorversagen und/oder -abschaltung, Oxidation der positiven Elektrode und mehr (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Beschleunigungskalorimetriedaten, die (links) den Test eines geladenen Lithium-Ionen-Akkus mit einem Heat-Wait-Search-Programm und (rechts) ein Diagramm der Selbsterhitzungsrate gegenüber der Temperatur zeigen, das charakteristische Merkmale des Batterieausfalls identifiziert

ARC kann verwendet werden, um die Vielzahl von Variablen zu untersuchen, die die thermische Zersetzung und die Durchgeheigenschaften beeinflussen, einschließlich Zellgröße/-form/-kapazität, Zellformat, SOC (siehe Abbildung 5), Chemie und Morphologie der Elektroden, Elektrolytzusammensetzung und Zustand -Gesundheit (oder Leben), Vorhandensein von plattiertem Lithiummetall usw. Wenn der ARC-Test mit der Batterieprobe in einem versiegelten Gefäß (z. B. innerhalb der größeren ARC-Kammer) durchgeführt wird, kann die Gesamtenergiefreisetzung aus dem thermischen Durchgehen-Ereignis betragen geschätzt unter Verwendung der Wärmekapazität der Probe in Verbindung mit dem Temperaturanstieg an der Probe, dem Temperaturanstieg des ARC-Gefässes und dem bekannten Wärmeeintrag in das System über die aufgezeichnete Heizleistung.

Abbildung 5: ARC-Analyse von Lithium-Ionen-Zellen im 18650-Format bei verschiedenen SOC, die eine Abnahme der Selbsterhitzungsbeginn- und Thermal Runaway-Temperaturen mit zunehmendem SOC zeigt

Fraktioniertes thermisches Runaway-Kalorimeter

Ein Fractional Thermal Runaway Calorimeter (FTRC) ist ein Batterietestgerät, das speziell von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) entwickelt wurde, um die Energieabgabe und Massenauswürfe im Zusammenhang mit einem Thermal Runaway-Ereignis einer Batterie zu messen [6]. Der FTRC ist mit austauschbaren Zellkammern ausgestattet, die Zellen mit unterschiedlichen Formfaktoren und Kapazitäten (z. B. 18650-Zellen, 21700-Zellen, D-Zellen) sowie verschiedene Zellauslösemechanismen aufnehmen können, die von externer Erwärmung über Nagelpenetration bis hin zu internen Kurzschlussgeräten reichen. Die Zellkammer ist zentral angeordnet und auf beiden Seiten mit (1) Ejekta-Paarbaugruppen, (2) Ejekta-Bohrungsbaugruppen und (3) Stangen- und Prallblechbaugruppen verbunden.

Ein FTRC-Gerät, das mit einer standardmäßigen 18650-Zellkammer ausgestattet ist, ist im Grunde ein symmetrisches Gerät, das die freigesetzte Energie im Zusammenhang mit Zellausfällen bewerten kann, einschließlich Entlüftung von oben, von unten oder beidem. Die Funktionsweise des FTRC beruht auf einfachen physikalischen Prinzipien. Die verschiedenen Baugruppen des FTRC bestehen alle aus bekannten Materialien mit bekannten Massen. Die Temperaturen dieser Komponenten werden während eines Testlaufs aufgezeichnet. Da die Materialzusammensetzung der Baugruppen bekannt ist, weiß man, wie viel Energie den Baugruppen zugeführt werden muss, um einen bestimmten Temperaturanstieg zu verursachen. Durch die Messung der Komponententemperaturen lässt sich daher einfach berechnen, wie viel Energie auf diese Komponenten übertragen wurde (d. h. wie viel Energie die Zelle abgegeben hat).

Die Zellkammer ist über Keramikbuchsen mit den Ejekta-Verbindungsbaugruppen verbunden, die für einen gewissen Grad an thermischer Isolierung zwischen den Unterbaugruppen sorgen und gleichzeitig die Kontinuität des Strömungswegs für die bei einem Batterieausfall ausgestoßenen Entlüftungsgase gewährleisten. Die Ejekta-Verbindungsbaugruppen sind so konzipiert, dass sie große Trümmer und Ejekta auffangen, die bei Zellversagen freigesetzt werden. Die Ejektabohrungsbaugruppen und Stab-und-Leitblech-Baugruppen befinden sich stromabwärts der Ejekta-Verbindung und sind so konzipiert, dass sie den Abgasen sensible Energie entziehen, indem sie einen gewundenen Strömungsweg erzeugen, der (1) eine Reihe von Aluminium-Leitblechen und (2) Kupfernetze umfasst Wicklungen. Abbildung 6 zeigt ein Foto eines FTRC, der mit einer 18650-Zellenkammer ausgestattet ist. Beachten Sie die beiden Kupfergeflechtwicklungen vor der Installation im FTRC.

Abbildung 6: Foto eines FTRC-Geräts, das mit einer 18650-Zellenkammer in der Mitte des Geräts ausgestattet ist

Die während des Batterieausfalls entwickelte Energie kann anhand der Gesamtenergieausbeute, der mit dem Batteriekörper verbundenen Teilenergieausbeute sowie des positiven/negativen Entgasungs- und Auswurfgases bewertet werden. Der Zellenergieertrag wird durch Lösen einer Energiebilanzgleichung für alle Unterkomponenten des Kalorimeters basierend auf der Masse, der spezifischen Wärme und dem Temperaturanstieg jeder Unterbaugruppe ermittelt. Genauer gesagt wird der Temperaturanstieg der Unterbaugruppe durch über 100 Typ-K-Thermoelemente gemessen, die an mehreren Stellen an der Hardware des Kalorimeters angebracht sind.

Beispiele für Schätzungen der Energieausbeute im Zusammenhang mit thermischen Batterie-Runaway-Ereignissen sind in den Abbildungen 7, 8 und 9 dargestellt. Wir haben dreifache FTRC-Tests an 18650-Zellen mit einer Kapazität von 2,6 Ah und einem Ladezustand von 100 % durchgeführt. Abbildung 7 zeigt ein Balkendiagramm, das die Gesamtenergieausbeute darstellt, die sich während eines thermischen Durchgehens der drei untersuchten Zellen entwickelte. Die Testergebnisse zeigen einen Gesamtenergieertrag zwischen etwa 48 kJ und 52 kJ. Die mit dem Zellkörper verbundenen Ertragsanteile liegen zwischen 26 kJ und 31 kJ und die mit dem positiven Entlüftungsgas und Ausstoß verbundenen Werte liegen zwischen 19 kJ und 26 kJ. Abbildung 8 zeigt die zeitabhängige Entwicklung der durch den Zellausfall erzeugten Energie, gemessen mit dem Kalorimetergerät. Abbildung 9 zeigt die während der Tests gemessene fraktionierte Massenverteilung.

Abbildung 6: Foto eines FTRC-Geräts, das mit einer 18650-Zellenkammer in der Mitte des Geräts ausgestattet ist

Abbildung 8: Zeitabhängige Entwicklung der Energie, die während des thermischen Runway-Ereignisses für die drei untersuchten 18650-Zellen entsteht

Abbildung 9: Teilmassenverteilung im Zusammenhang mit dem Thermal Runway-Ereignis für die drei betroffenen 18650-Zellen

Die Ergebnisse zeigen, dass der überwiegende Teil der Masse nach dem thermischen Durchgehen im Zellkörper verbleibt. Kleinere Massenanteile waren mit den Ejekta verbunden, die sich entlang der positiven Seite des Kalorimeters ansammelten (d. h. in der positiven Ejekta-Paarung, dem Kupfergeflecht, den Stäben und Leitblechen und der Bohrung). Es wurde praktisch keine Masse (oder Energie) in Richtung des negativen Teils des Kalorimeters abgegeben, der an den Boden der Zelle grenzt.

Abbildung 9 zeigt auch die Menge der nicht wiederhergestellten Masse während des Experiments. Die nicht zurückgewonnene Masse hängt mit den Mengen an Abgasen und kleinen Auswurfmassen zusammen, die das Gerät während des Tests verlassen können. Es ist zu beachten, dass der mit der nicht zurückgewonnenen Masse verbundene Energieanteil im Allgemeinen gering ist. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Temperatur der das Kalorimeter verlassenden Abgase und Ejekta relativ nahe an der Umgebungstemperatur liegt, da das Kalorimeter so konzipiert ist, dass es seine gesamte fühlbare Energie entlang des gewundenen Pfads abzieht, der von der Zellkammer (wo Abgase und Ejekta erzeugt werden) führt ) durch die Stab-und-Leitblech-Baugruppen und das Kupfernetz.

Dieser Artikel stellt einen chemieunabhängigen, experimentellen Rahmen zur Charakterisierung der Energie vor, die während eines thermischen Durchgehens einer Lithium-Ionen-Zelle freigesetzt wird. Die Charakterisierung der bei einem Ausfall abgegebenen Energie ist ein entscheidender Parameter, der die Konstruktion batteriebetriebener Produkte unter Sicherheits- und Leistungsgesichtspunkten beeinflussen kann. Das Framework basiert auf mehreren experimentellen Methoden wie (1) Tests versiegelter Gefäße, (2) Tests der Sauerstoffverbrauchskalorimetrie, (3) ARC- und (4) FTRC-Tests. Zusammengenommen bieten diese Techniken ein recht vollständiges Bild der Energie und Materialien, die beim thermischen Durchgehen einer Lithium-Ionen-Batterie freigesetzt werden.

Artyom KossolapovbatteriesdesignFrancesco Colellali-ionlithium-ionMichael BarryRyan SpraySergio MendozaTimothy Myers

Francesco Colella ist leitender leitender Ingenieur im Thermal Sciences-Bereich von Exponent.

Deine Email-Adresse wird nicht veröffentlicht.

Kommentar

Name*

Email*

Webseite

Speichern Sie meinen Namen, meine E-Mail-Adresse und meine Website in diesem Browser für den nächsten Kommentar.

D