使用电池量热仪和气相色谱法进行电池排气分析

KIT IAM-AWP 热量计中心负责人 Carlos Ziebert 博士解释了如何收集和分析电池的排放气体

除了可实现的能量密度和循环稳定性外，锂离子电池 (LIB) 的安全性是该技术作为固定式储能设备被接受和市场渗透的决定性因素，但最重要的是用于移动应用。不幸的是，当前 LIB 能量密度的增加总是伴随着所释放能量的反应性和强度的增加，因此降低了电池的安全性，特别是因为 LIB 目前含有易燃的液体电解质。因此，最近，新的加速量热计 (ARC)，来自 Thermal Hazard Technology 的 EV+，已被收购并安装在应用材料研究所 - 应用材料物理研究所 (IAM -AWP)卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT). 这一新系统一方面提供了一个集成的红外摄像系统，可以在锂离子电池 (LIB) 的滥用测试期间记录热图像。

因此，它允许 KIT 和其他人研究当细胞打开时可以从细胞中出来的气体的温度。另一方面，它允许结合带有三个热导检测器的 Perkin-Elmer 的气相色谱 (GC) 系统 Clarus 690 Arnel 4019 分析这些排放气体。该 GC 系统由来自其他两个 IAM 研究所的两个小组共同运营，即应用材料研究所 - 材料科学与工程 (IAM-WK) 和应用材料研究所 - 储能系统 (IAM-ESS)，并获得部分资助由亥姆霍兹计划存储和交叉链接基础设施的战略基金提供。

加速量热计的安全测试

在ARCs中，表征了LIB的自热、热稳定性和热失控，并确定了其安全运行的关键参数和阈值。这里的重要参数是起始温度、内部压力的增加、热失控期间释放的热量，最后但并非最不重要的是，释放的气体量以及所排放气体的定性和定量成分。这些气体主要由电解液产生，电解液在当前的电池中为液态且易燃。由于 LIB 的化学成分，可释放爆炸性或有毒气体，由于其快速和广泛分布而具有潜在危险。

使用 ARC 分析锂离子电池的排气

通常，圆柱形电池和棱柱形硬壳电池提供所谓的安全排气口，它们是预定的断裂点，允许释放由于电池滥用（例如过热或过度充电）而形成的气体引起的过压。相比之下，软包电池往往会在其焊接种子的任何最弱点处打开。这可以接近集电器，但这一点不像其他两种电池类型那样明确。为了在电池排气过程中收集气体，在耐压钢瓶内的 ARC 中进行了滥用测试。这个圆柱体通过一个小毛细管连接到一个气体鼠标。当细胞排出时，气体被收集在气体小鼠中。测试结束后，气体鼠标被直接带到 GC 系统。然后气体通过气体进料系统释放到 GC 的入口，并使用三个热导检测器 (TCD) 进行定性和定量分析。如果发现未知成分，可以使用质谱仪进一步检查，质谱仪也与 GC 系统结合使用。

AnaLiBa 项目

这个由 ARC 和 GC 系统组成的新设施在 AnaLiBa（锂离子电池分析）项目中发挥着重要作用，该项目由德国联邦教育和研究部 (BMBF) 资助约 130 万欧元。能力集群分析/质量保证 (AQua) 框架。它于 2021 年 1 月 1 日开始，为期三年。该项目由弗劳恩霍夫化学技术研究所 (ICT)协调在 Pfinztal，第二个合作伙伴是位于乌尔姆的巴登-符腾堡州太阳能和氢能研究中心 (ZSW)。AnaLiBa 项目的主要目标是联合开发用于大电池气体分析的标准化样品处理流程。这包括，首先，所描述的使用圆柱体的方法，其次，将毛细管引入细胞，第三，ARC 和在线质谱仪的直接耦合。了解各种电池滥用情况下的气体成分揭示了相关的分解路径，并给出了需要采取哪些保护措施的想法，例如，延迟或防止因排放气体点燃或热失控引起的电池火灾。

在该项目中，将比较不同的电池格式、不同的电池容量和不同的应用领域（高能量/高性能电池）。除了滥用情况外，还将对电池在循环/老化或储存期间产生的化学成分进行分析，以阐明电池中发生的化学过程。通过使用合适的分析方法（将在 AnaLiBa 项目中进行优化），可以识别电池安全机制、它们随着电池老化而发生的变化以及生产错误的影响。所有这些研究既为 AQua 集群的使命服务，也为德国电池研究工厂的联邦教育和研究部 (BMBF) 伞形概念的创新管道服务。