DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111288
تاريخ النشر: 2024-03-25
المؤلف: Peter Bugryniec وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث تقنيات البطاريات المتقدمة
نظرة عامة
تقدم الورقة البحثية تحليلًا شاملاً للغازات المنبعثة خلال أحداث الانفجار الحراري (TR) في بطاريات الليثيوم أيون (LIBs)، مع تسليط الضوء على المخاطر المرتبطة بالنيران والانفجارات والسمية. من خلال تحليل شامل لـ 60 دراسة، يبحث المؤلفون في كيفية تأثير معايير البطارية المختلفة، بما في ذلك الكيمياء، وحالة الشحن (SOC)، وشكل الخلية، على حجم وتركيب الغاز المنبعث. تشير النتائج الرئيسية إلى أن بطاريات النيكل المنغنيز الكوبالت (NMC) تنتج أعلى أحجام غاز محددة (519 لتر/كيلووات ساعة)، تليها الخلايا البراسمية (598 لتر/كيلووات ساعة)، بينما تظهر بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) سمية واحتراق أكبر، خاصة عند مستويات SOC المنخفضة. تكشف الدراسة أن الغاز المنبعث من LFP له حد احتراق أدنى (LFL) أقل يبلغ 6.2% مقارنةً بـ 7.9% لـ NMC، مما يشير إلى خطر احتراق أعلى على الرغم من حدوث نيران أقل في اختبارات TR.
يوصي المؤلفون بعدة مجالات للبحث المستقبلي لتعزيز فهم مخاطر الغاز المنبعث من LIB. تشمل هذه التوصيات الإبلاغ عن نسب العناصر في الأقطاب وتركيبات الإلكتروليت لمقارنات أفضل، ودراسة خلايا LFP في أكياس وبراسمية على نطاقات أكبر (10-100 أمبير ساعة)، وإجراء اختبارات على مستوى الوحدات والحزم، والتحقيق في توليد الغاز المنبعث عند مستويات SOC مختلفة، خاصة خلال ظروف الشحن الزائد. بالإضافة إلى ذلك، يؤكدون على الحاجة إلى إعدادات تجريبية يمكن أن تكشف بدقة وتحدد كميات المذيبات الشائعة في الإلكتروليت لتقييم مساهمتها في مخاطر الاحتراق. تعتبر هذه الدراسة مصدرًا حيويًا لمجتمع البطاريات، مما يسهل تقييم المخاطر المتعلقة بأحداث TR في LIB من خلال توفير بيانات أدبية متاحة للتحليل المستمر.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على مخاطر السلامة المرتبطة بمصادر الطاقة الكهروكيميائية، وخاصة بطاريات الليثيوم أيون (LIBs)، مقارنةً بالوقود الهيدروكربوني التقليدي مثل البنزين والديزل. بينما تم توثيق مخاطر حرائق المركبات التي تشمل محركات الاحتراق الداخلي (ICEs) بشكل جيد، فإن الانتشار المتزايد للمركبات الكهربائية المدعومة بـ LIB يثير القلق بشأن وجود فجوة محتملة في المعرفة بشأن مخاطر السلامة الخاصة بها. تركز المراجعات الأدبية الحالية بشكل أساسي على آليات الانفجار الحراري (TR) وظواهر الحريق في LIBs، ومع ذلك، هناك غياب ملحوظ للتحليلات الشاملة التي تتناول بشكل خاص الغاز المنبعث من LIB، والذي يمكن أن يكون قابلًا للاشتعال وقد يؤدي إلى انفجارات ووفيات. بالإضافة إلى ذلك، فإن إطلاق الغازات السامة، مثل أول أكسيد الكربون (CO) والفلوريد الهيدروجيني (HF)، خلال أحداث TR يشكل مخاطر إضافية للأفراد القريبين من هذه الحوادث. تتطلب تعقيدات تركيب الغاز المنبعث تحقيقًا دقيقًا لتعزيز تدابير السلامة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون منهجيتهم لتحليل سلوك الغاز المنبعث من بطاريات الليثيوم أيون (LIB) خلال أحداث الانفجار الحراري (TR). تم إجراء بحث شامل في الأدبيات باستخدام كلمات مفتاحية محددة تتعلق ببطاريات الليثيوم أيون، وسيناريوهات الإساءة، وظواهر الغاز المنبعث، مما أدى إلى اختيار 60 ورقة ذات صلة. شملت البيانات المجمعة من هذه الدراسات معايير مختلفة، بما في ذلك حجم البطارية (من الخلية إلى المركبة الكهربائية)، ونوع الخلية وكيميائها، ونسب العناصر، وأنواع الإساءة، وسعة الخلية، وحالة الشحن (SOC)، والجهد الاسمي، ومنهجيات اختبار الغاز، ومعدلات وكميات الغازات المنتجة (مثل CO₂، CO، HF).
أجرى المؤلفون تحويلات وحدات تحت ظروف درجة حرارة وضغط قياسية وجمعوا البيانات في قسم البيانات التكميلية. تعمل هذه المجموعة من البيانات على توضيح تأثيرات كيمياء الخلية، ونوعها، وحجم البطارية، وSOC، وظروف الغلاف الجوي على خصائص انبعاثات الغاز المنبعث. بينما يتم توثيق طرق تحليل الغاز وأنواع الإساءة، إلا أنها لا تُحلل لتأثيرها على سلوك الغاز المنبعث من LIB؛ ومع ذلك، يقدم المؤلفون تعليقات حول هذه الجوانب في قسم المناقشة.
النتائج
يقدم قسم النتائج تحليلًا لانبعاثات الغاز المنبعث من بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion)، حيث يتم تجميع النتائج من الأدبيات الحالية. تحدد الدراسة المكونات الرئيسية للانبعاثات، بما في ذلك المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) والغازات مثل ثاني أكسيد الكربون (CO2) وأول أكسيد الكربون (CO)، والتي يتم إطلاقها خلال مراحل مختلفة من دورة حياة البطارية، وخاصة أثناء الشحن والأحداث الحرارية.
يتم مقارنة البيانات الكمية من دراسات متعددة لتسليط الضوء على التباين في مستويات الانبعاث بناءً على عوامل مثل كيمياء البطارية، وحالة الشحن، وظروف درجة الحرارة. تؤكد النتائج على أهمية فهم هذه الانبعاثات لتقييم التأثيرات البيئية وتطوير استراتيجيات التخفيف. بشكل عام، يبرز التحليل الحاجة إلى بروتوكولات اختبار موحدة لتسهيل المقارنات الأكثر دقة وتعزيز تدابير السلامة في تطبيقات بطاريات Li-ion.
المناقشة
تسلط المناقشة الضوء على المخاطر الكبيرة المرتبطة ببطاريات الليثيوم أيون (LIBs)، خاصة فيما يتعلق بالنيران والانفجارات والانبعاثات السامة للغازات المنبعثة خلال الانفجار الحراري (TR). تؤكد الحوادث في تخزين الطاقة الثابتة، والمركبات الكهربائية (EVs)، والتطبيقات البحرية على ضرورة إجراء تقييمات شاملة للمخاطر لإبلاغ المستجيبين للطوارئ وتخفيف المخاطر. جانب حاسم من هذه التقييمات هو فهم حجم وتركيب الغاز المنبعث، والذي يشمل الغازات القابلة للاشتعال مثل الهيدروجين (H₂)، والهيدروكربونات، وتأثيرات تخفيف ثاني أكسيد الكربون (CO₂). تفتقر الأدبيات الحالية إلى تحليل شامل يربط بين متغيرات البطارية – مثل الكيمياء وحالة الشحن (SOC) – وخصائص الغاز المنبعث، وهو أمر ضروري لتقييم إمكانية الانفجار وسمية الغازات المنبعثة.
تشير النتائج إلى أن توليد الغاز خلال TR يتأثر بعوامل مختلفة، بما في ذلك كيمياء البطارية، وSOC، وتكوين الخلية. على سبيل المثال، تنتج خلايا فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) عمومًا غازًا أقل من كيميائيات أخرى مثل أكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO) ونيكل المنغنيز الكوبالت (NMC) عند SOC كامل. ومع ذلك، يختلف تركيب الغاز بشكل كبير عبر كيميائيات مختلفة، حيث تنتج خلايا LFP المزيد من CO₂ وH₂، بينما تميل خلايا NMC إلى توليد مستويات أعلى من أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروكربونات الكلية (THC). تهدف الدراسة إلى تقديم مراجعة شاملة لانبعاثات الغاز المنبعث من LIB، مع التركيز على كيفية تأثير معايير البطارية المختلفة على حجم الغاز وتركيبه، مما يخدم في النهاية كمصدر حيوي لتقييم مخاطر الحريق والانفجار المرتبطة بـ LIBs.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111288
Publication Date: 2024-03-25
Author(s): Peter Bugryniec et al.
Primary Topic: Advanced Battery Technologies Research
Overview
The research paper provides a comprehensive analysis of the off-gas produced during thermal runaway (TR) events in lithium-ion batteries (LIBs), highlighting the associated fire, explosion, and toxicity hazards. Through a meta-analysis of 60 studies, the authors investigate how various battery parameters, including chemistry, state of charge (SOC), and cell form, influence off-gas volume and composition. Key findings indicate that nickel manganese cobalt (NMC) LIBs generate the highest specific off-gas volumes (519 L/kWh), followed by prismatic cells (598 L/kWh), while lithium iron phosphate (LFP) batteries exhibit greater toxicity and flammability hazards, particularly at lower SOC levels. The study reveals that LFP off-gas has a lower lower flammability limit (LFL) of 6.2% compared to NMC’s 7.9%, indicating a higher flammability risk despite fewer flame occurrences in TR tests.
The authors recommend several avenues for future research to enhance understanding of LIB off-gas hazards. These include reporting the electrode elemental ratios and electrolyte compositions for better comparisons, studying LFP pouch and prismatic cells at larger scales (10-100 Ah), conducting tests at module and pack levels, and investigating off-gas generation at varying SOCs, particularly during overcharge conditions. Additionally, they emphasize the need for experimental setups that can accurately detect and quantify common electrolyte solvents to assess their contribution to flammability risks. This work serves as a critical resource for the battery community, facilitating risk assessments related to LIB TR events by providing accessible literature data for ongoing analysis.
Introduction
The introduction highlights the safety risks associated with electrochemical energy sources, particularly lithium-ion batteries (LIBs), in comparison to traditional hydrocarbon fuels like petrol and diesel. While the hazards of vehicle fires involving internal combustion engines (ICEs) are well-documented, the increasing prevalence of LIB-powered electric vehicles raises concerns about a potential knowledge gap regarding their safety risks. Existing literature reviews have primarily focused on the mechanisms of thermal runaway (TR) and fire phenomena in LIBs, yet there is a notable absence of comprehensive analyses specifically addressing LIB off-gas, which is flammable and can lead to explosions and fatalities. Additionally, the release of toxic gases, such as carbon monoxide (CO) and hydrogen fluoride (HF), during TR events poses further risks to individuals in proximity to such incidents. The complexity of off-gas composition necessitates thorough investigation to enhance safety measures.
Methods
In this section, the authors outline their methodology for analyzing the off-gas behavior from lithium-ion batteries (LIB) during thermal runaway (TR) events. A comprehensive literature search was conducted using specific keywords related to lithium-ion batteries, abuse scenarios, and off-gas phenomena, resulting in the selection of 60 relevant papers. The data collated from these studies encompassed various parameters, including battery scale (from cell to electric vehicle), cell type and chemistry, elemental ratios, abuse types, cell capacity, state of charge (SOC), nominal voltage, gas testing methodologies, and the rates and quantities of gases produced (e.g., CO₂, CO, HF).
The authors performed unit conversions under standard temperature and pressure conditions and compiled the data in the Supplementary Data section. This dataset serves to elucidate the effects of cell chemistry, type, battery scale, SOC, and atmospheric conditions on the characteristics of off-gas emissions. While the methods of gas analysis and types of abuse are documented, they are not analyzed for their impact on LIB off-gas behavior; however, the authors provide commentary on these aspects in the discussion section.
Results
The results section presents an analysis of lithium-ion (Li-ion) off-gas emissions, synthesizing findings from existing literature. The study identifies key emission components, including volatile organic compounds (VOCs) and gases such as carbon dioxide (CO2) and carbon monoxide (CO), which are released during various stages of the battery lifecycle, particularly during charging and thermal events.
Quantitative data from multiple studies are compared to highlight the variability in emission levels based on factors such as battery chemistry, state of charge, and temperature conditions. The findings underscore the importance of understanding these emissions for assessing environmental impacts and developing strategies for mitigation. Overall, the analysis emphasizes the need for standardized testing protocols to facilitate more accurate comparisons and enhance safety measures in Li-ion battery applications.
Discussion
The discussion highlights the significant risks associated with lithium-ion batteries (LIBs), particularly concerning fire, explosion, and toxic off-gas emissions during thermal runaway (TR). Incidents in stationary energy storage, electric vehicles (EVs), and marine applications underscore the necessity for comprehensive risk assessments to inform emergency responders and mitigate hazards. A critical aspect of these assessments is understanding the off-gas volume and composition, which includes flammable gases such as hydrogen (H₂), hydrocarbons, and the effects of carbon dioxide (CO₂) dilution. The current literature lacks extensive analysis correlating battery variables—such as chemistry and state of charge (SOC)—with off-gas characteristics, which is essential for evaluating the explosion potential and toxicity of the emitted gases.
The findings indicate that gas generation during TR is influenced by various factors, including battery chemistry, SOC, and cell configuration. For instance, lithium iron phosphate (LFP) cells generally produce less gas than other chemistries like lithium cobalt oxide (LCO) and nickel manganese cobalt (NMC) at full SOC. However, the gas composition varies significantly across different chemistries, with LFP cells producing more CO₂ and H₂, while NMC cells tend to generate higher levels of carbon monoxide (CO) and total hydrocarbons (THC). The study aims to provide a comprehensive review of LIB off-gas emissions, focusing on how different battery parameters affect gas volume and composition, ultimately serving as a crucial resource for assessing fire and explosion hazards associated with LIBs.