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Meta-analysis of heat release and smoke gas emission during thermal runaway of lithium-ion batteries
(2023)
Herein a meta-analysis of 76 experimental research papers from 2000 to 2021 is given about possible effects on the thermal runaway of lithium-ion battery cells. Data on the hazards of gas emissions and released heat are related to each other and differentiated by cell properties such as, cell geometry, cathode type or state of charge. Quantitative information on the total heat release in the range of 2.0–112.0 kJ Wh−1, the peak heat release rate in the range of 0.006–2.8 kW Wh−1and the smoke gas emission were extracted, normalized in terms of cell energy (Wh), combined in a data library and compared graphically. The total amount of gas emitted (3–48 mmol Wh−1) as well as the released amount of carbon monoxide (1–161 mg Wh−1) and hydrogen fluoride (2–197 mg Wh−1) were investigated as a function of the state of charge and cell geometry. The analysis reveals that the measured values are significantly influenced by the types of calorimeters and smoke gas analyzers used as well as by the type of thermal runaway trigger. This meta-analysis can serve as an important basis for any risk assessment of lithium-ion batteries.
For the purpose of increasing payload and reduce freight cost, lightweight composite tank containers used for Transportation have been progressively developed during the last years. Compared to conventionally produced cylindrical steel tanks, the fiber-reinforced solutions allow greater flexibility in the tank design. Despite a number of further material-related benefits of fiber-reinforced composites as non-conductive and non-magnetic behavior as well as corrosion resistance and high strength, the optimization of their thermal degradation properties during combustion is still a challenge. To improve the fire performance of lightweight composite containers, special intumescent fire protection coatings can be applied onto the outside tank surface. This paper presents fire tests on glass-fiber-reinforced plastic transport tanks with complex geometries sheltered with different surface-applied fire protection systems. To evaluate the fire resistance of the tank structures, a fiber optic monitoring system was developed. This system is based on distributed temperature measurements using high-Resolution optical backscatter reflectometry and pointwise reference measurements using fiber Bragg gratings. Thereby, all the fiber optic sensors were directly integrated in the composite layer structure of the tanks. The focus of the presented work is on the demonstration of capability of fiber optic monitoring system in such high-temperature application. Moreover, the fiber optic measurements provide new insights into the efficiency of intumescent coating applied for fire protection of fiber-reinforced plastic transport tanks.
Der vorliegende Bericht ist der 2.Teil eines Gesamtberichtes und schildert ausführlich die im Kontext des BAM-Innovationsoffensive-Projektes „Chemische Brandspurenanalytik“ durchgeführten Untersuchungen und fasst die gewonnenen analytischen Erkenntnisse zusammen. Der gesamte Bericht gliedert sich in drei Teile. Der erste Teil beinhaltet den Aufbau, die Durchführung und die brandtechnologische Auswertung der durchgeführten Raumbrandversuche, während in dem hier vorliegenden Teil die analytischen Methoden zum Nachweis des Brandbeschleunigers in den Brandrückständen vorgestellt und ausgewertet werden. Die Beurteilung von Brandspuren und daraus abgeleitet die Rekonstruktion eines Brandverlaufes beruhen auch auf der präzisen chemischen Analyse der Brandprodukte. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine innovative Methodik entwickelt, wie verfügbare Analysetechniken in geeigneter Weise kombiniert werden können, um aus festen, flüssigen und gasförmigen Brandrückständen Rückschlüsse auf den Brandverlauf ziehen zu können. Neben der Untersuchung von Proben von realen Brandorten wurden verschiedene wohnungstypische Materialien unter Laborbedingungen unterschiedlichen Brandszenarien unterworfen. Die dabei entstehenden Brandgase, Aerosole sowie der verbleibende Brandrückstand wurden durch geeignete analytische Verfahren analysiert, um mögliche Brandursachen beurteilen zu können. Der Schwerpunkt dieses Berichtes liegt in dem Nachweis von Brandbeschleunigern. Es zeigte sich, dass mittels der Kombination aus HS-SPME-GC-MS sowohl in den festen Brandrückständen, als auch in den Kondensaten Brandbeschleuniger eindeutig und verlässlich nachgewiesen werden können. Anhand von 5 verschiedenen Zimmerbrandversuchen wurde der Einfluss von Brandbeschleunigern auf den Brandverlauf experimentell untersucht. Es wurden verschiedene brandtechnologische Kennwerte, wie der Massenverlust des gesamten Brandraums, Brandraumtemperaturen, die Wärmefreisetzungen sowie die Rauchgasemissionen ermittelt und beurteilt. Die Rauchgasanalyse erfolgte im Schlot, im Brandraum sowie in der Brandraumöffnung mittels Fourier Transformierte Infrarot-FTIR-Spektroskopie. Neben diesen brandtechnologischen Untersuchungen, die im Bericht Teil 1 enthalten sind, erfolgten auch chemisch-analytische Untersuchungen nach dem Brand, mit dem Ziel, den eingesetzten Brandbeschleuniger nachzuweisen. Im Anschluss an die jeweiligen Zimmerbrandversuche wurden verschiedene Brandrückstandsproben aus dem Brandschutt, Wischproben von den Wänden und den übriggebliebenen Gegenständen genommen und mit Hilfe einer entwickelten HS-SPME-GC-MS-Methode (Headspace-Solid Phase Micro Extraction-Gas Chromatographie-Massenspekrometrie) in Hinblick eines möglichen Brandbeschleunigernachweis analysiert.
Dieser Bericht behandelt die Durchführung, Auswertung und Ergebnisse einer Versuchsserie zu Raumbränden. Diese wurde zur Untersuchung von Fragestellungen zum Einfluss von Brandbeschleuniger auf den Brandverlauf sowie zu den Möglichkeiten des Nachweises des Brandbeschleunigers in kriminaltechnischen Ermittlungen durchgeführt.
Die Versuche haben im Rahmen des Forschungsprojekts Brandspurenanalytik der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung im Jahr 2012 an der Brandprüfstelle Laue der Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen Leipzig mbH stattgefunden. Im Forschungsprojekt wurden verschiedene Materialien und ihr Brandverhalten in Kombination mit flüssigen Brandbeschleunigern in der Rauchdichtekammer (DIN EN ISO 5659-2), dem Cone Calorimeter (ISO 5660-1) und dem Single Burning Item Test (DIN EN 13823) untersucht. Die Untersuchungen hatten zwei Schwerpunkte.
Einerseits wurde im Anschluss an die Versuche der Brandrückstand mit analytischen Methoden mit dem Ziel des Nachweises des Brandbeschleunigers untersucht. Andererseits dienen die gemessenen Größen wie Massenverlustrate, Wärmefreisetzungsrate und Temperaturen innerhalb der Proben als Vergleichsgrößen bei der Validierung numerischer Simulationen und der genutzten Materialmodelle. Ergänzend zu den kleinskaligen
Versuchen wurden die selben Materialien in den in diesem Bericht vorgestellten Raumbränden verwendet, um das Brandverhalten im Originalmaßstab zu untersuchen.
Der gesamte Bericht gliedert sich in drei Teile. Der hier vorliegende Teil 1 thematisiert den Aufbau, die Durchführung und die brandtechnologische Auswertung der Versuche und diskutiert Untersuchungsergebnisse zum Brandverlauf. In Teil 2 werden die analytischen
Methoden zum Nachweis des Brandbeschleunigers in den Brandrückständen vorgestellt und ausgewertet und in Teil 3 werden Empfehlungen zur Probenahme von Proben zum Brandbeschleunigernachweis auf Basis der gewonnen Erkenntnisse im Forschungsprojekt gegeben sowie die Ergebnisse der in diesem Bericht vorgestellten Versuche
vorgestellt.
Die hier beschriebenen Versuche bildeten einen typischen Wohnzimmerbrand ab. In einem Brandraum mit einer Fläche von 20m² wurden verschiedene Einrichtungsgegenstände, wie Sofas, Regale, ein Esstisch, vier Stühle und ein Couchtisch, als Brandlast angeordnet. Insgesamt wurden fünf Versuche bei identischer Brandlast durchgeführt.
Beim ersten Versuch erfolgte die Zündung mit einem Feuerzeug an einem der Sofas.
Bei den vier weiteren Versuchen wurde mit einem Benzin-Diesel-Gemisch als Brandbeschleuniger an jew. unterschiedlichen Positionen im Brandraum gezündet. Während dem Versuch wurden die Temperaturen im Brandraum mit Mantelthermoelementen, Wärmeströme auf Oberflächen mit Plattenthermometern, die Konzentration verschiedener
Gasspezies, der globale Massenverlust, der Fluidmassenstrom durch die Zuluftöffnung und die Wärmefreisetzungsrate gemessen.
Im Anschluss an den Versuch wurden Brandschutt- und Rußwischproben genommen.
Diese wurden mit dem Ziel des Nachweises der verwendeten Brandbeschleuniger analysiert.
Die Zündung mit Brandbeschleuniger führte primär zu einer erhöhten Brandentwicklungsgeschwindigkeit.
Der Flashover trat bei allen Versuchen, die mit Brandbeschleuniger gezündet wurden, wesentlich früher auf, als bei dem ersten Versuch, der mit einem Feuerzeug gezündet wurde. Die erreichten Maximalwerte der brandtechnologischen Kenngrößen, wie beispielsweise die Temperaturen im Brandraum oder die Wärmefreisetzungsrate,
waren jedoch bei allen fünf Versuchen in der gleichen Größenordnung. Die gewonnen Daten zum Brandverlauf können als Vergleichswerte für numerische Simulationen verwendet werden.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die konjugierten Polymere, die sich durch äußerst interessante elektrooptische Eigenschaften auszeichnen. Die sich daraus ergebenden Anwendungen liegen vor allem auf dem Gebiet der Elektrolumineszenz, z. B. als LED- Materialien. Ein Hauptproblem für die Einsatzfähigkeit ist die Stabilität der konjugierten Polymere. Dabei spielen Oxida-tionsprozesse sowie strukturelle und morphologische Veränderungen eine entscheidende Rolle. Zur Untersuchung der thermooxidativen Stabilität wurde die Chemilumineszenz-Methode (CL) und zum Nachweis der strukturellen und morphologischen Defekte die Thermolumineszenz-Methode (TL) eingesetzt. Um die Stabilität der konjugierten Polymere zu erhöhen, wurden im Rahmen dieser Arbeit zahlreiche Einflussfaktoren auf die thermooxidative Stabilität sowie auf die molekulare Beweglichkeit mit Hilfe der CL und der TL untersucht und diskutiert.