Quantificação de Liberação de Energia para Li

Este artigo apresenta uma estrutura experimental para caracterizar a energia liberada durante eventos de fuga térmica envolvendo células de íons de lítio e baterias usadas em aplicações que vão desde veículos elétricos a eletrônicos de consumo e dispositivos médicos para aplicações aeroespaciais. Uma breve introdução às baterias de íons de lítio e fuga térmica da bateria é fornecida. O artigo então descreve vários métodos para obter liberação de energia em células submetidas a fuga térmica.

O primeiro método envolve testar uma célula dentro de um vaso de pressão selado, o que permite estimar o volume de gás produzido como resultado da fuga térmica e uma avaliação quantitativa da composição do gás de ventilação. Esta técnica é geralmente usada para avaliar os perigos de inflamabilidade associados à fuga térmica. O segundo método descrito é a calorimetria de consumo de oxigênio. Essa técnica fornece uma estimativa do calor liberado por uma célula em fuga térmica por meio de análise química (ou seja, quanto oxigênio foi consumido e a liberação de calor associada).

O terceiro e o quarto métodos incluem duas técnicas projetadas para estimar a energia produzida durante um evento de descontrole térmico da bateria: a calorimetria de taxa de aceleração (ARC) e uma nova metodologia projetada para estimar a energia sensível liberada durante uma falha de descontrole térmico da bateria usando um descontrole térmico fracionário aparelho de calorímetro (FTRC).

Nos últimos dez anos, as baterias de íon-lítio (Li-ion) se tornaram a tecnologia de armazenamento de energia preferida para diferentes setores, incluindo automotivo, eletrônicos de consumo e aplicações aeroespaciais. À medida que as químicas das baterias de íons de lítio melhoram, a energia da bateria e as densidades de energia aumentam. O aumento das densidades de energia, incluindo a implementação de células contendo metal de lítio, resulta em riscos potenciais mais altos e/ou gravidade dos eventos de falha da bateria. O aumento do risco decorre tanto da presença de quantidades maiores de energia quanto de tolerâncias mais finas e rígidas dos componentes internos.

Um mecanismo de falha catastrófica que pode levar a incêndios na bateria é um evento de fuga térmica. Em grandes conjuntos de várias células, como os comumente usados ​​em veículos elétricos ou sistemas estacionários de armazenamento de energia, o calor gerado por uma célula com falha pode aquecer as células vizinhas, o que pode levar a uma cascata térmica em todo o conjunto de baterias. Em geral, espera-se que ocasionalmente haja falhas em uma única célula dentro de uma população de baterias de íon-lítio. Esse potencial de propagação de falhas apresenta um risco maior à propriedade e à segurança.

O Underwriters Laboratories (UL) criou recentemente um novo método de teste (UL 9540A, Método de teste para avaliar a propagação térmica descontrolada de incêndios em sistemas de armazenamento de energia em bateria) que procura especificamente avaliar a propensão dos sistemas de armazenamento de energia a exibir falhas de propagação. Uma razão para a preocupação com a propagação de falhas é que eventos de fuga térmica podem resultar na liberação de gases inflamáveis, e esses gases podem gerar um incêndio ou um evento de sobrepressão se inflamados em uma área confinada. Falhas múltiplas que ocorrem devido à propagação subsequentemente liberarão um volume maior de gases inflamáveis.

Uma avaliação precisa da energia produzida durante uma falha de fuga térmica da bateria é de importância crítica para o projeto de qualquer produto alimentado por bateria, tanto do ponto de vista de segurança quanto de desempenho. Estimativas precisas de rendimento de energia são valiosas para uma grande variedade de tarefas, incluindo, entre outras:

A energia liberada durante uma falha de fuga térmica da bateria pode ser avaliada aproximadamente avaliando a energia sensível e os componentes de energia química que evoluíram durante o evento. Os componentes de energia sensível podem ser avaliados estimando a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura do corpo da célula, gases e material ejetado para os níveis experimentados durante uma falha de fuga térmica (antes da ocorrência de qualquer evento de combustão). O componente de energia química pode ser avaliado estimando a energia liberada pela combustão dos gases de ventilação após sua liberação do corpo da célula durante o evento de fuga térmica. A caracterização da energia de combustão requer uma caracterização da composição e quantidades de gases de ventilação liberados durante o evento de falha.