Kontaktperson
Anders Lönnermark
Enhetschef
Kontakta AndersModellering av termisk rusning och brand i batterier
Multifysiksimuleringar tillsammans med fullskaliga försök kan vara ett kostnadseffektivt sätt att designa säkrare batterier. RISE är expert på området.
Termisk rusning i litiumjonbatterier – och risken för att den sprider sig från cell till cell och från modul till modul – är en av de centrala säkerhetsutmaningarna i dagens elektrifierade samhälle, som är mycket relevant för elfordon, energilagringssystem för batterier, tillverkning, underhåll, eftermontering och återvinning. Det är en komplex process som involverar flera fysikaliska fenomen samtidigt: elektrokemiska reaktioner inuti cellen, självuppvärmning, termisk nedbrytning av battericellens material, evaporering av elektrolyten, ventilering av brandfarliga och giftiga gaser, ejektering av partiklar och droppar samt förbränning av dessa gaser och rester – allt detta samverkar över skalor, från en enskild cell till ett helt system.
Att testa enskilda celler hjälper tillverkare att konstruera bort mycket av denna risk redan på cellnivå. Men i takt med att energilagringssystem för batterier blir större och mer komplexa blir fullskaliga experimentella säkerhetstester kostsamma, tidskrävande och svåra att upprepa. Numerisk simulering erbjuder ett praktiskt, kostnadseffektivt och mer
miljömässigt hållbart sätt att studera hur termisk rusning sprider sig genom ett batterisystem – men simulering är bara tillförlitlig när den valideras mot verkliga experimentella data. Den valideringen är kärnan i hur vi arbetar på RISE, och våra modeller kontrolleras mot fullskaliga brandtester som genomförs på vår egen anläggning för batterisäkerhetstestning.
Publikationer:
Cellnivå – effekten av batterikemi och laddningsnivå (SOC) på brandbeteende
På cellnivå studerar vi hur batterikemi och laddningsnivå (state of charge, SOC) påverkar en battericells brandbeteende när termisk rusning väl har inletts. Med hjälp av CFD-simuleringar byggda i det öppna källkodsramverket OpenFOAM har vi modellerat avgasning och jetflamsförbränning hos cylindriska celler för fyra vanliga katodkemier – LCO, NMC, LFP och NCA – samt över ett spann av laddningsnivåer. Vi har även undersökt hur CO₂-berikade atmosfärer, vilket är relevant för brandsläckning i slutna utrymmen som fartygslastrum, påverkar flamtemperatur och brandtillväxt. I en studie visar våra resultat att släckeffektiviteten beror starkt på kemi: NCA-, LCO- och NMC-celler verkar svara väl på CO₂-släckning, medan LFP-celler verkar betydligt mer motståndskraftiga, vilket beror på långsammare gasavgasning, lägre total gasfrigörelse och högre värmekapacitet hos de utstötta gaserna.
Modulnivå – termisk spridning i cylindriska och prismatiska cellformat
På modulnivå har vi simulerat spridningen av termisk rusning för två av de vanligaste cellformaten. För en batterimodul för fordonsapplikationer, uppbyggd av 12 prismatiska celler, utvecklade vi en 3D-finita-elementmodell för termisk spridning, validerade den mot fullskaliga experiment och använde den för att identifiera vilka parametrar – bland annat kritisk temperatur och den specifika värmekapaciteten hos cellens jelly roll – som starkast påverkar spridningshastigheten. För en betydligt större modul med 507 cylindriska celler (100 Ah, NMC-kemi) kopplade vi samman en 3D-finita-elementmodell för termisk spridning med en CFD-brandmodell baserad på öppen källkod, för att fånga både hur termisk rusning sprider sig från cell till cell och hur den efterföljande branden utvecklas – återigen validerat mot fullskalig brandtestning, denna gång på en komplett energilagringsmodul för batterier.
I tätt samarbete med RISE abuse-tester på batterier, multifysikberäkningar kan användas för att:
• studera termisk rusning i battericeller, moduler, packar och även på systemnivå.
• utföra parametriska studier av förbättrad säkerhetsdesign i batterimoduler och BESS.
• beräkna olika scenarion för abuse-tester på batterier, för att ge rekommendationer om vilka scenarion som är mest relevanta att testa.
• beräkna åtgärder som förebygger termisk rusning, till exempel, integrerade brandbekämpningskanaler i batterimoduler och pack eller nedsänkning av batterier i en kylväska.
