Thermal Characterization of Lithium-ion Cells with Positive Electrode Materials LiNixMn0.8−xCo0.2O2LiNi_{x}Mn_{0.8-x}Co_{0.2}O_{2} and their Components

Heutzutage werden Lithium-Ionen-Batterien (LiBs) aufgrund ihrer hohen Energiedichte, ihrer langen Lebensdauer und der Herstellungsreife zunehmend als Energiespeicher in stationären Anlagen Elektrofahrzeugen (EVs) und tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt. Jedoch gibt es weiterhin Bedenken hinsichtlich der Sicherheit von LiBs. In den letzten Jahren wurden in den Medien regelmäßig Fälle bekannt, in denen Elektrofahrzeuge beim Parken oder während des Ladevorgangs in Brand gerieten [1,2]. Aus diesem Grund sind die thermischen Eigenschaften und das thermische Verhalten im Rahmen der Entwicklung von Sicherheitsmaßnahmen für LiBs sehr interessant, um die elektrochemische Leistung sowie die thermische Stabilität zu verbessern. Die thermische Stabilität von LiBs kann durch interne und externe Entwicklungen verbessert werden. Interne Entwicklungen implizieren die Verbesserung des Batteriedesigns und der Komponenten, insbesondere der positive Elektrode. Bei externen Entwicklungen handelt es sich um die Entwicklung eines Wärmemanagementsystems, unter anderem durch eine Temperaturüberwachung oder durch ein Kühlsystem. In Bezug auf interne Entwicklungen wurden in dieser Arbeit NMC positive Elektrodenmaterialien intensiv hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung und der thermischen Eigenschaften delithiierter positiver Elektrodenmaterialien untersucht. In Bezug auf externe Entwicklungen wurde das thermische Verhalten von LiBs während des Zyklierens und des „Thermal Runaway“ untersucht. Die gewonnenen Daten können zum Beispiel als Eingangsdaten für ein Wärmemanagementsystem dienen. Zunächst wurden NMC Elektrodenmaterialien mit den Zusammensetzungen LiNixMn0,8-xCo0,2O2 (x=0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8) unter Nutzung der Sol-Gel Methode synthetisiert. Die Kalzinierungstemperaturen wurden optimiert, die elektrochemischen Eigenschaften von LiNi0,4Mn0,4Co0,2O2 (NMC442) getestet und mit kommerziellem NMC442 Material verglichen. Weiterhin wurden NMC-positive Elektrodenmaterialien unterschiedlicher Lithium-Gehalte durch chemische Delithiierung unter Verwendung von (NH4)2S2O8-Lösung als Oxidationsmittel durchgeführt. Durch Verwendung unterschiedlicher Lösungsmengen und Reaktionszeiten konnten aus dem Delithiierungsprozess Materialien mit unterschiedlichen Lithium-Gehalten erhalten werden. Neben der Extraktion von Lithium wurden auch Übergangsmetalle im Oxidationsmittel gelöst. Die thermodynamischen Eigenschaften von Proben ausgewählter Zusammensetzungen LiyNi0,4Mn0,4Co0,2O2 (y=1,11; 0,76; 0,48) wurden hinsichtlich der Phasenübergänge und Bildungsenthalpien untersucht. Die Phasenübergänge, bei denen Gas freigesetzt wird, wurden durch Simultane Thermische Analyse (STA) und Massenspektroskopie untersucht. Die Bildungsenthalpien wurden mittels Hochtemperatur-Einwurflösungskalorimetrie gemessen. Darüber hinaus wurden das thermische Verhalten und der „Thermal Runaway“ von handelsüblichen Knopfzellen mit LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2 positive Elektrodenmaterial mit einem Tian-Calvet Kalorimeter (C80) und einem Accelerating Rate Calorimeter (ARC) untersucht. Dabei wurde die Wärmeentwicklung aus reversiblen Wärmebeiträgen, welche aus reversiblen Reaktion resultieren, und irreversiblen Wärmebeiträgen, die aufgrund von Innenwiderständen und irreversiblen Reaktionen entstehen, untersucht. Die Innenwiderstände wurden unter Verwendung von Galvanostatischer intermittierender Titrationstechnik (GITT) untersucht, und die reversible Entropieänderung wurde durch Messungen der Abhängigkeit der Leerlaufspannungen (OCVs) von den Temperaturen ermittelt. Daraufhin konnte die gesamte Wärmeentwicklung aus den durchgeführten experimentellen Ergebnissen berechnet werden. Da die Wärmestromraten während des Zyklus bei 25 °C und 30 °C direkt mit einem C80-Kalorimeter gemessen wurden, kann die gesamte Wärmeerzeugung durch Integration der gemessenen Wärmestromrate über die Zeit bestimmt werden. Die Differenz zwischen der berechneten und der gemessenen Wärmeentwicklung wurde ermittelt und diskutiert. Mittels ARC wurde der „Thermal Runaway“ ausgehend von den einzelnen Komponenten bis hin zur vollständigen Zelle untersucht. Diese Arbeit zeigt somit ein Gesamtbild des „Thermal Runaway“, das zur Entwicklung von Wärmemanagementsystemen verwendet werden kann

Numerical Simulation of Cracked Reinforced Concrete Slabs Subjected to Blast Loading

Crack is one of the most common defects observed in reinforced concrete (RC) structures. An initial crack will lead to severe changes in the stress state when the structure subjected to blast loadings. Target on acquiring the dynamic data, a finite element method is applied to simulate the response of cracked RC slab subjected to blast loading. The theoretical results of damage distribution and mid-span deflection of normal specimens are first compared with experimental test, which indicates that the dynamic behaviour of RC slab under blast loading can be well predicted by the finite element model. Then blast responses of cracked RC slabs with varied crack parameters (e.g. orientation, width and depth) are systematically studied. Results show that damage of the cracked slab initiates from the initial crack tip of the bottom surface, and then it propagates quickly with cracks found in the support areas on the top surface. In addition, the existence of initial cracks in the RC slab make it subject to more serious damages than the normal RC slab under the same explosive loads, as well as a short reacted failure time. Moreover, variations of crack parameters have slight influences on the distributions of cracked RC slab

P-wave velocity structure and implications for magmatism and metallogenesis in the southern Altaids: Constraint from wide-angle seismic data along the Altai-Eastern Tianshan traverse

Altaids in the Central Asian Orogenic Belt (CAOB) is one of the world’s largest orogenic belts containing mineral deposits. Together with the Junggar terrain they open an important window to study the Paleozoic tectonic evolution of the CAOB. In this paper, we analyze a 637-km-long wide-angle refraction/reflection seismic profile across the Altai-Eastern Tianshan orogenic belt in the southern Altaids, conducted in September 2018 using 10 large explosive charges fired in drilled holes. We use a traveltime inversion method to reconstruct the lithospheric P-wave velocity structure along the profile. The lithosphere is composed of a 43-55-km-thick crust, a ∼10-km-thick crust-mantle transition layer beneath the Altai Mountain, and a ∼25-km-thick layer of lithospheric mantle. The results clearly reveal: a prominent Moho uplift beneath the Yemaquan Island Arc, two major crustal-scale low-velocity anomalies (LVAs) beneath the Yemaquan Arc and Bogda Mountain, and three high-velocity anomalies (HVAs) near the surface around the Kalatongke, Yemaquan and Kalatage mining areas. We hypothesize that the subduction of the Paleo-Asian Ocean occurred with strong mantle upwelling. We suggest that continued compression of the Paleo-Asian Ocean causes the delamination of lithosphere, as well as asthenospheric material upwelling and magma underplating into the crust. Consistently, Paleozoic mafic-ultramafic rocks and mantle-derived minerals related to gold, copper and nickel deposits, are widely extended in the area. Our results show that the P-wave velocity-depth curves for deeper depths (>30 km) in the southern Altai and Junggar Basin are close to those of the continental arcs and global continent average. Despite powerful Paleozoic subduction activity, orogeny and volcanism strongly modified the lower crust in the region, part of ancient continental crust was still preserved below the southern Altai and Junggar Basin. In addition, the upper part (depth 5–30 km) of the velocity-depth curve for the Junggar Basin is close to that of the Costa Rica volcanic front and the British Columbia accreted terrain, suggesting that Paleozoic orogenic activity has intensively reconstructed the upper-middle crust beneath the Junggar Basin

In-plane mechanical behavior of novel auxetic hybrid metamaterials

We present in this paper two novel concepts of hybrid metamaterials that combine a core unit cell of re-entrant or cross-chiral shape and lateral missing ribs. The first topology is a hybrid between an anti-tetrachiral and a missing rib (cross-chiral) configuration; the second one has a variable cross-chiral layout compared to the classical missing rib square structure. Their in-plane mechanical properties have been investigated from a parametric point of view using finite element (FE) simulations. The two classes of metamaterials have been benchmarked to obtain optimized designs and specific effective properties. Nonlinear simulations and experimental tests of the new re-entrant missing rib metamaterials featuring optimized geometry parameters have been performed to understand the behavior of these architectures under large deformations

Experimental Analysis of Thermal Runaway in 18650 Cylindrical Li-Ion Cells Using an Accelerating Rate Calorimeter

In this work commercial 18650 lithium-ion cells with LiMn2O4, LiFePO4 and Li(Ni0.33Mn0.33Co0.33)O2 cathodes were exposed to external heating in an Accelerating Rate Calorimeter (es-ARC, THT Company) to investigate the thermal behavior under abuse conditions. New procedures for measuring external and internal pressure change of cells were developed. The external pressure was measured utilizing a gas-tight cylinder inside the calorimeter chamber in order to detect venting of the cells. For internal pressure measurements, a pressure line connected to a pressure transducer was directly inserted into the cell. During the thermal runaway experiments, three stages (low rate, medium rate and high rate reaction) have been observed. Both pressure and temperature change indicated different stages of exothermic reactions, which produced gases or/and heat. The onset temperature of thermal runaway was estimated according to temperature and pressure changes. Moreover, the different activation energies for the exothermic reactions could be derived from Arrhenius plots.</jats:p