New technique analyses battery failure. Una nuova tecnica analizza i corto circuiti della batteria.
(Credit: Kristoferb via CC)
A team led by researchers from UCL has developed a new method for investigating the forces at work when lithium-ion batteries short-circuit.
The study, published in Energy and Environmental Science, used a device patented by engineers from NASA and the US NREL (National Renewable Energy Laboratory) to initiate short circuits in batteries, mimicking the failures sometimes seen in consumer electronics and EVs. Using high-speed X-ray imaging, the researchers then monitored what happened to the structure of the cells in real-time, as the short circuit drove thermal runaway in the devices.
“In previous work, we’ve tracked Li-ion battery failure caused by extreme heat in 3D and real-time, but this is the first time we’ve tracked what happens to the temperature and structure of cells when we short-circuit the battery in a controlled way at an internal location of our choosing, initiating a series of potentially dangerous events,” explained first author, Dr Donal Finegan (UCL, NASA and NREL).
“This is of particular interest, as short-circuiting is thought to be responsible for a number of high-profile, real-world failures. Knowing when and where the cell will fail has allowed us to characterise what happens during catastrophic failure in-depth using high-speed X-ray imaging. This provides us with new insights to help guide the design and development of safer and more reliable Li-ion batteries.”
Individual cells, as well as small cell modules, were tested under conditions that represented a worst-case battery failure scenario. When short circuits were initiated inside the batteries, cell temperatures reached in excess of 1085°C during failure. Using the high-speed X-ray imaging that captured 2000 frames per second, the team examined the effects of gas pockets forming, venting and increasing temperatures on the layers inside two different commercial Li-ion batteries.
“It is fascinating to see how quickly the process of thermal runaway can spread throughout these cells, which went from being completely intact to being completely destroyed within around one second,” said UCL’s Dr Paul Shearing, corresponding author on the paper.
“We were surprised to learn how susceptible neighbouring cells are to propagation of thermal runaway. This demonstrates the importance of isolating failing cells within larger battery packs and modules, which may be found in a range of applications from space suits to electric vehicles.”
As well as UCL, NASA and NREL, the collaboration included researchers from researchers from the University of Warwick, Diamond Light Source, The European Synchrotron and the National Physical Laboratory (NPL).
ITALIANO
Un gruppo guidato dai ricercatori di UCL ha sviluppato un nuovo metodo per indagare le forze in gioco quando cortocircuitano le batterie agli ioni di litio.
Lo studio, pubblicato in Energy and Environmental Science, ha utilizzato un dispositivo brevettato da ingegneri della NASA e del NREL (National Renewable Energy Laboratory) per avviare cortocircuiti in batterie, imitando i guasti che si verificano a volte nell'elettronica di consumo e negli EV. Utilizzando l'acquisizione di immagini ad alta velocità a raggi X, i ricercatori hanno poi monitorato ciò che è accaduto alla struttura delle cellule in tempo reale, in quanto il cortocircuito ha provocato fughe termiche nei dispositivi.
"Nel lavoro precedente, abbiamo monitorato l'insufficienza della batteria agli ioni di litio causata da un calore estremo in 3D e in tempo reale, ma questa è la prima volta che abbiamo tracciato ciò che accade alla temperatura e alla struttura delle celle quando cortocircuitiamo la batteria in modo controllato in una posizione interna di nostra scelta, avviando una serie di eventi potenzialmente pericolosi ", ha spiegato il primo autore, Donald Finegan (UCL, NASA e NREL).
"Questo è di particolare interesse, in quanto si ritiene che il cortocircuito sia responsabile di una serie di danni di alto rischio nel mondo reale. Sapere quando e dove la cella provocherà il corto circuito ci ha permesso di caratterizzare ciò che accade durante un errore catastrofico in profondità utilizzando l'acquisizione di immagini ad alta velocità a raggi X. Questo ci fornisce nuove conoscenze per aiutare a guidare la progettazione e lo sviluppo di batterie agli ioni di litio più sicure e affidabili ".
Le singole celle, così come i moduli di piccole celle, sono stati testati in condizioni che rappresentavano lo scenario di guasto peggiore delle batterie. Quando sono state avviate cortocircuiti all'interno delle batterie, le temperature delle celle raggiungono valori superiori a 1085 ° C durante il guasto. Utilizzando l'acquisizione di immagini ad alta velocità a raggi X che ha acquisito 2000 fotogrammi al secondo, il gruppo ha esaminato gli effetti delle bolle di gas che si formano, sfiatano e aumentano le temperature sugli strati all'interno di due differenti batterie agli ioni di litio commerciali.
"È affascinante vedere come velocemente il processo di fuga termica possa diffondersi in queste cellule, che sono state trasformate da completamente innocue ad essere completamente distrutte entro un secondo circa", ha dichiarato il dottor Paul Shearing dell'UCL, autore corrispondente sul giornale.
"Siamo stati sorpresi di apprendere come le cellule siano suscettibili alla propagazione termica. Ciò dimostra l'importanza di isolare le celle che siano danneggiate all'interno dei più grandi pacchetti e moduli di batterie, che possono essere trovati in una vasta gamma di applicazioni dai supporti spaziali ai veicoli elettrici ".
Oltre a UCL, NASA e NREL, la collaborazione comprendeva ricercatori provenienti da ricercatori dell'Università di Warwick, Diamond Light Source, The Synchrotron Europeo e National Laboratory Physical (NPL).
Da:
https://www.theengineer.co.uk/new-technique-analyses-battery-failure/?cmpid=tenews_3340839
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