Quantificazione del rilascio di energia per Li

Questo articolo presenta un quadro sperimentale per caratterizzare l'energia rilasciata durante gli eventi di fuga termica che coinvolgono celle agli ioni di litio e pacchi batteria utilizzati in applicazioni che vanno dai veicoli elettrici all'elettronica di consumo e ai dispositivi medici fino alle applicazioni aerospaziali. Viene fornita una breve introduzione alle batterie agli ioni di litio e all'instabilità termica delle batterie. L'articolo descrive poi vari metodi per ottenere il rilascio di energia nelle celle sottoposte a fuga termica.

Il primo metodo prevede il test di una cella all'interno di un recipiente a pressione sigillato, che consente la stima del volume di gas prodotto a seguito dell'instabilità termica e una valutazione quantitativa della composizione del gas di sfiato. Questa tecnica viene generalmente utilizzata per valutare i rischi di infiammabilità associati all'instabilità termica. Il secondo metodo descritto è la calorimetria del consumo di ossigeno. Questa tecnica fornisce una stima del calore rilasciato da una cella sottoposta a fuga termica tramite analisi chimica (ovvero, quanto ossigeno è stato consumato e il rilascio di calore associato).

Il terzo e il quarto metodo includono due tecniche progettate per stimare l'energia prodotta durante un evento di fuoriuscita termica della batteria: la calorimetria a velocità di accelerazione (ARC) e una nuova metodologia progettata per stimare l'energia sensibile rilasciata durante un guasto di fuoriuscita termica della batteria utilizzando una fuga termica frazionaria. apparato calorimetrico (FTRC).

Negli ultimi dieci anni, le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono diventate la tecnologia di accumulo dell’energia preferita da diversi settori, tra cui quello automobilistico, dell’elettronica di consumo e delle applicazioni aerospaziali. Con il miglioramento della chimica delle batterie agli ioni di litio, l’energia della batteria e la densità di potenza sono aumentate. L’aumento della densità di energia, inclusa l’implementazione di celle contenenti litio-metallo, comporta rischi potenziali e/o gravità più elevati di eventi di guasto della batteria. L'aumento del rischio deriva sia dalla presenza di quantità maggiori di energia che da tolleranze più strette e sottili dei componenti interni.

Un meccanismo di guasto catastrofico che può portare all’incendio della batteria è un evento di fuga termica. Nei grandi pacchi multicella come quelli comunemente utilizzati nei veicoli elettrici o nei sistemi fissi di accumulo di energia, il calore generato da una cella guasta può riscaldare le celle vicine, provocando una cascata termica in tutto il pacco batteria. In genere si prevede che occasionalmente si verifichino guasti a singole celle all'interno di una popolazione di pacchi batteria agli ioni di litio. Questo potenziale di propagazione dei guasti presenta un rischio maggiore per la proprietà e la sicurezza.

Gli Underwriters Laboratories (UL) hanno recentemente creato un nuovo metodo di prova (UL 9540A, Test Method for Evaluating Thermal Runaway Fire Propagation in Battery Energy Storage Systems) che mira specificamente a valutare la propensione dei sistemi di accumulo di energia a mostrare guasti che si propagano. Uno dei motivi di preoccupazione per la propagazione dei guasti è che gli eventi di fuga termica possono provocare lo scarico di gas infiammabili e questi gas possono generare un incendio o un evento di sovrapressione se accesi in un'area ristretta. Guasti multipli che si verificano a causa della propagazione rilasceranno successivamente un volume maggiore di gas infiammabili.

Una valutazione accurata dell'energia prodotta durante un guasto termico della batteria è di fondamentale importanza per la progettazione di qualsiasi prodotto alimentato a batteria sia dal punto di vista della sicurezza che delle prestazioni. Stime accurate del rendimento energetico sono preziose per un'ampia varietà di attività, incluse ma non limitate a:

L'energia rilasciata durante un guasto per instabilità termica della batteria può essere valutata approssimativamente valutando l'energia sensibile e i componenti di energia chimica che si sono evoluti durante l'evento. I componenti energetici sensibili possono essere valutati stimando la quantità di energia richiesta per aumentare la temperatura del corpo cellulare, dei gas e dei materiali espulsi ai livelli sperimentati durante un guasto termico (prima che si verifichi qualsiasi evento di combustione). La componente di energia chimica può essere valutata stimando l'energia rilasciata dalla combustione dei gas di scarico in seguito al loro rilascio dal corpo cellulare durante l'evento di fuga termica. La caratterizzazione dell'energia di combustione richiede una caratterizzazione della composizione e delle quantità di gas di scarico rilasciati durante l'evento di guasto.