리튬 이온 배터리의 열 폭주는 여러 원인으로 인해 발생하며, 이는 매우 다른 최악의 결과를 초래할 수도 있습니다. 이 방법에서 우리는 단일 셀에서 치명적인 위험을 시뮬레이션하려고 시도하고 있으며, 프로토콜은 우리가 생성하려는 위험 유형의 시뮬레이션을 위한 결과의 일관성을 제공하는 것으로 나타났습니다. 이 테스트 절차의 주요 장점은 한 번의 테스트로 다양한 파라미터를 현장에서 측정한다는 것입니다.
시간 결과 데이터는 리튬 이온 배터리 열 폭주 및 화재의 일시적인 이벤트를 종합적으로 특성화합니다. 이 실험에는 많은 센서, FDIR 및 비디오 녹화에서 데이터 수집의 동기화가 필요합니다. 작업자는 여러 장치를 단계별로 올바르게 작동하기 위해 표준 작동 절차를 따라야 합니다.
이를 통해 일관된 결과와 인력 및 장치에 대한 잠재적 위험 없이 실험의 성공을 보장할 수 있습니다. 이 절차를 시연하는 것은 PD 학생 인 Pushkal Kannan과 내 연구실의 박사후 연구원 인 Ankit Sharma 박사가 될 것입니다. 시작하려면 필터 밸브 장치에 새 필터 또는 깨끗한 필터를 설치하십시오.
가스 분석기에 연결된 질소 실린더의 밸브를 열고 질소 유량을 분당 150-250 입방 센티미터로 조정합니다. 세포 준비로 0.01g의 정밀도로 세포의 초기 전압과 질량을 측정하고 실험 일지에 기록합니다. 셀 중앙에 가열 테이프를 부착하십시오.
가열 테이프 와이어가 셀의 음극을 가리키는지 확인하십시오. 테이프로 세포 사진을 찍습니다. 고온 내성 테이프를 사용하여 셀 표면에 3개의 열전대를 부착합니다., 하나는 양극 단자 근처, 하나는 중간에, 다른 하나는 전지의 음극 단자 근처 하단에 있습니다.
양극 단자 근처의 열전대를 사용하여 비례 적분 미분 또는 PID를 통해 가열 속도를 제어합니다. 세 개의 열전대는 모두 가열 테이프 가장자리에서 5mm 떨어진 곳에 위치해야 합니다. 가열 테이프와의 거리를 확인하기 위해 눈금자로 셀의 사진을 찍습니다.
셀 전압 측정을 위해 셀의 양극 및 음극 단자에 니켈 탭을 스폿 용접한 다음 셀 홀더에 셀을 로드합니다. 셀과 셀 홀더를 챔버의 질량 저울에 놓습니다. 열전대 커넥터, 가열 테이프 및 니켈 탭을 챔버 피드스루 플러그 및 와이어에 연결합니다.
히팅 테이프의 PID 컨트롤러를 켜고 히팅 프로파일을 설정합니다. PID 컨트롤러, 데이터 수집 및 질량 저울용 케이블을 노트북에 연결하고 노트북에서 데이터 수집 프로그램을 시작합니다. 데이터 수집 프로그램에 표시된 모든 센서 판독값이 적절한지 확인하십시오.
측정값을 확인한 후 데이터 수집 프로그램을 끕니다. 전면 및 측면 캠코더 설정, 수동 화이트 밸런스, 수동 초점, 자동 노출, 자동 조리개 및 자동 셔터 속도를 조정합니다. 캠코더 배터리가 가득 찼는지 확인합니다.
챔버 외부의 삼각대에 전면 뷰 캠코더를 배치하고 측면 캠코더에서 녹화를 시작한 다음 챔버의 보호 상자 안에 넣습니다. 측면 뷰 캠코더 각도와 뷰를 확인한 후 보호 상자를 잠급니다. 챔버를 닫고 덮개판의 모든 나사가 단단히 고정되었는지 확인합니다.
진공 또는 다이어프램 펌프를 사용하여 누출 점검을 수행하고 주변 공기에서 챔버로 FTIR 흡입구를 변경합니다. 그런 다음 FTIR 리턴 라인을 챔버에 연결합니다. PID 컨트롤러를 r로 설정하십시오.amp 담그기 모드를 선택하고 실내의 조명과 챔버의 LED 조명을 끕니다.
전면 뷰 캠코더 녹화를 시작한 후 다음 시작 프로세스를 녹화하여 데이터 수집과 비디오 녹화를 동기화합니다. 노트북에서 데이터 기록 및 데이터 수집 프로그램을 시작합니다. PID r을 시작합니다.amp 데이터 수집 프로그램 타이머에서 10초에 담그기 모드, 챔버 LED 표시등을 켜고 FTIR 기록을 시작합니다.
전면 캠코더를 삼각대에 놓고 실험을 계속 녹화합니다. 다른 방으로 이동하여 원격 제어 데스크톱 프로그램을 통해 노트북의 데이터 수집 패널을 계속 모니터링합니다. 열폭주가 발생하거나 PID 제어기가 셀 온도를 섭씨 200도에서 60분 동안 유지한 후 가열 테이프의 전원을 끄고 PID 제어기를 대기 모드로 설정합니다.
세 가지 열전대 판독값이 모두 섭씨 40도 미만이 되면 실험 및 데이터 기록을 종료합니다. FTIR 가스 분석기를 질소로 퍼지하여 약 15분 동안 분석기의 튜브를 청소합니다. 퍼지 후 FTIR 측정을 중지합니다.
챔버 청소 진공 청소 절차 전에 FTIR 샘플링 흡입 라인이 주변 공기에 대해 닫혀 있거나 열려 있는지 확인하십시오. Protea 분석기 소프트웨어 또는 PAS-Pro 소프트웨어에서 주변 공기를 선택하거나 FTIR을 완전히 종료합니다. 밸브 1을 열어 내화학성 다이어프램 펌프를 사용하여 챔버를 부분적으로 진공 청소기로 청소할 준비를 하고 챔버 압력이 제곱인치당 절대 9.7파운드로 떨어질 때까지 다이어프램 펌프를 가동합니다.
다이어프램 펌프를 끄고 밸브 1을 닫은 다음 밸브 3을 열어 챔버에 주변 공기를 채웁니다. 챔버 압력이 주변 압력으로 회복되면 밸브 3을 닫습니다. 다이어프램 펌프로 챔버를 부분적으로 진공 청소기로 청소하여 독성 가스 농도를 낮춘 후 챔버 압력이 절대 제곱인치당 4.7파운드로 떨어질 때까지 회전 정맥 펌프를 작동하여 나머지 독성 가스를 제거합니다.
챔버를 열고 캠코더와 셀을 회수합니다. 셀 홀더에서 셀을 제거하기 전, 도중, 후에 사진을 찍습니다. 세포의 무게를 측정하고 세포의 사후 테스트 질량을 기록합니다.
마지막으로, 수집된 데이터를 후처리하고 플롯을 생성하여 모든 측정값의 시간 변화를 시각화합니다. 75% 충전 상태에서 18650 원통형 셀에 대해 얻은 셀 온도 및 질량 손실 데이터가 이 그림에 나와 있습니다. 질량 손실은 두 가지 뚜렷한 가스 방출 기간을 나타내는데, 하나는 셀 배기 중이고 다른 하나는 열 폭주 중입니다.
주요 탄화수소 및 독성 가스 종의 농도가 여기에 표시됩니다. 가열 테이프에 공급되는 기록 된 전류 및 전압은 셀에 입력되는 전력을 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 가열 테이프에 공급되는 전압 및 전류와 가열 테이프에 공급되는 계산된 에너지 및 전력에 대한 대표 데이터가 여기에 표시됩니다.
여기서 가장 중요한 요소는 각 실험 중 및 실험 후의 안전을 보장하는 것입니다. 실험은 테스트 셀의 외부 단락을 방지해야 합니다. 그리고 다른 중요한 요소는 테스트 전에 셀 SoC와 가열 속도가 정확한지 확인하는 것입니다.
또한 유독 가스의 배출을 제한하기 위해 챔버를 완전히 밀봉하고 안전한 방식으로 가스를 제거하기 위해 정화 절차를 정확히 따르는 것이 중요합니다. 테스트 절차를 확장하여 다양한 셀 형식 및 모듈에서 화재 응용 프로그램을 연구하여 다중 셀 배터리의 열 폭주 및 배터리 화재 스케일링에 대한 이해를 높일 수 있습니다. 이 테스트 절차에서 수집된 포괄적인 시간 결과 데이터를 통해 리튬 이온 배터리의 미래 모델 및 이론을 개발할 수 있습니다.
또한 배터리 화재가 어떻게 확장되는지 이해하는 데 도움이 됩니다.
