Comparison of thermal runaway initiation methods for a cylindrical Li-ion cell

Li-ionbatterier har blitt en viktig del av hverdagslivet i anvendelser så ulike som smarttelefoner og elektriske ferger. Høy energitetthet er en av faktorene for at teknologien har lykkes i så mange markeder. Når Li-ionbatterier utsettes for større påkjenninger enn de er designet for, kan de imidlertid begynne å selvoppvarme og havne i en selvforsterkende overopphetingsreaksjon kalt thermal runaway. Ved thermal runaway slipper batteriet ut brennbare og helseskadelige gasser, det kan ta fyr eller til og med eksplodere. I såkalte propageringstester blir batterimoduler eller -installasjoner testet for sin evne til å hindre propagering av thermal runaway mellom celler eller moduler. Thermal runaway blir igangsatt i en celle med en valgt initieringsmetode. Et viktig emne for propageringstester er: Hvordan bør thermal runaway initieres slik at det ligner mest mulig på en realistisk feilsituasjon? Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) har undersøkt sikkerheten til en sylindrisk Li-ioncelle med jernfosfatbasert kjemi og kapasitet i området 30–60 Ah. I disse studiene er en rekke ulike initieringsmetoder blitt brukt. Resultater fra de ulike eksperimentene understreker noen av forskjellene ved initieringsmetodene. Denne rapporten oppsummerer forskjellene og gir et informasjonsgrunnlag for å velge passende initieringsmetoder. Thermal runaway ble framprovosert i enkeltceller ved hjelp av ulike former for ekstern oppvarming (dysevarmere, fleksible varmeark, infrarød strålingsovn, adiabatisk oppvarming) eller ved å generere interne kortslutninger (internt varmeelement, spikerpenetrering). Celleoppførselen ble observert og kategorisert i henhold til en skala for farenivå. Cellene viste en stor variasjon i oppførsel, både for ulike initieringsmetoder og for identiske metoder. Alle farenivå mellom 4 (stor lekkasje eller ventilering) og 7 (energetisk feil) ble observert, og massetap varierte fra 15 til 86 %. Denne variasjonen viser at misbrukstester eller propageringstester som ikke blir repetert, kan gi et feilaktig inntrykk av de mulige farene ved batteriet. Den viser også at et enkeltstående eksempel på en vellykket sikkerhetstest ikke er tilstrekkelig grunnlag for å betrakte en celle som sikker. Gjentatt testing er nødvendig for å avdekke alle mulige celleoppførsler. Av de testede initieringsmetodene var internt varmeelement den metoden som gav minst variasjon i celleoppførsel. Denne metoden forårsaket i all hovedsak ikke den kraftigste cellereaksjonen som ble observert for mange av teknikkene med ekstern oppvarming. Modulutviklere og sikkerhetsinspektører bør være klar over muligheten for sideveggsrevning når celler med stive vegger blir brukt. Revner kan føre til at ventilerte gasser slippes ut i utilsiktede retninger. Resultatene demonstrerer også tydelig at gassutslippet er brennbart og muligheten for antenning. I tillegg gir resultatene eksempler på at målinger av celleveggtemperatur ikke kan anses som en pålitelig parameter for varsling av termiske hendelser.