Количественная оценка высвобождения энергии для Li

В этой статье представлена ​​экспериментальная основа для характеристики энергии, выделяемой во время термического выхода из-под контроля с использованием литий-ионных элементов и аккумуляторных батарей, используемых в самых разных приложениях: от электромобилей до бытовой электроники, медицинских устройств и аэрокосмической техники. Представлено краткое введение в литий-ионные аккумуляторы и их температурный разгон. Затем в статье описываются различные методы получения энерговыделения в клетках, подвергающихся тепловому выходу из-под контроля.

Первый метод предполагает испытание ячейки внутри герметичного сосуда под давлением, что позволяет оценить объем газа, образующегося в результате теплового разгона, и количественно оценить состав отходящего газа. Этот метод обычно используется для оценки опасности воспламенения, связанной с тепловым выходом из-под контроля. Второй описанный метод - калориметрия потребления кислорода. Этот метод позволяет оценить количество тепла, выделяемого клеткой, претерпевающей тепловой выход, посредством химического анализа (т. е. сколько кислорода было потреблено и связанное с этим выделение тепла).

Третий и четвертый методы включают в себя два метода, предназначенных для оценки энергии, выделяемой во время термического выхода батареи из-под контроля: калориметрию скорости ускорения (ARC) и новую методологию, разработанную для оценки явной энергии, выделяемой во время отказа батареи из-за теплового выхода батареи, с использованием дробного теплового разгона. калориметрический аппарат (FTRC).

За последние десять лет литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы стали предпочтительной технологией хранения энергии в различных отраслях, включая автомобилестроение, бытовую электронику и аэрокосмическую промышленность. По мере улучшения химического состава литий-ионных аккумуляторов их энергия и плотность мощности возрастают. Увеличение плотности энергии, включая внедрение элементов, содержащих литий-металл, приводит к более высоким потенциальным рискам и/или серьезности событий отказа батареи. Повышенный риск связан как с наличием большего количества энергии, так и с более тонкими и жесткими допусками внутренних компонентов.

Одним из механизмов катастрофического отказа, который может привести к возгоранию батареи, является тепловой выход из-под контроля. В больших многоячеечных аккумуляторах, таких как те, которые обычно используются в электромобилях или стационарных системах хранения энергии, тепло, выделяемое одним вышедшим из строя элементом, может нагревать соседние элементы, что может привести к тепловому каскаду во всем аккумуляторном блоке. Обычно ожидается, что в литий-ионных аккумуляторных блоках время от времени будут возникать сбои отдельных элементов. Подобная возможность распространения отказов представляет собой повышенный риск для имущества и безопасности.

Лаборатории Underwriters Laboratories (UL) недавно разработали новый метод испытаний (UL 9540A, Метод испытаний для оценки неконтролируемого теплового распространения огня в аккумуляторных системах хранения энергии), который специально направлен на оценку склонности систем хранения энергии к возникновению сбоев в процессе распространения. Одной из причин беспокойства по поводу распространения отказов является то, что термический выход из-под контроля может привести к выбросу горючих газов, а эти газы могут вызвать пожар или возникновение избыточного давления при возгорании в замкнутом пространстве. Множественные отказы, возникающие в результате распространения, впоследствии приведут к выбросу большего объема горючих газов.

Точная оценка энергии, выделяемой во время теплового выхода батареи из-под контроля, имеет решающее значение для проектирования любого продукта с батарейным питанием как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения производительности. Точные оценки выхода энергии полезны для решения широкого круга задач, включая, помимо прочего:

Энергию, выделяемую во время отказа батареи из-за перегрева, можно грубо оценить, оценив компоненты разумной энергии и химической энергии, которые выделились во время этого события. Компоненты разумной энергии можно оценить путем оценки количества энергии, необходимой для повышения температуры тела клетки, газов и выбросов до уровней, наблюдаемых во время термического выхода из-под контроля (до того, как произойдет какое-либо событие сгорания). Компонент химической энергии можно оценить путем оценки энергии, выделяемой при сгорании вентиляционных газов после их высвобождения из тела клетки во время термического выхода из-под контроля. Характеристика энергии сгорания требует характеристики состава и количества отходящих газов, выделившихся во время аварии.