Discharge and Flame Chemistry in Lithium-Ion Battery Vent Gases : Investigations using Breakdown Experiments with Laser-Based Diagnostics

Abstract

Due to the environmental impact of fossil fuels, there has been a growing interest in lithium-ion batteries for electric vehicles. However, safety concerns have arisen regarding potential fire hazards associated with the vent gases of these batteries. This work aims to investigate the role of electrical discharge as a proposed ignition source of battery vent gases.

A set of research questions for the study of this newly discovered issue is formulated, and two gas mixtures are selected for this particular work. The chemical compositions of the mixtures represent vent gases from lithium nickel cobalt aluminium oxide (NCA) batteries and lithium iron phosphate (LFP) batteries. An experimental setup is implemented to study the breakdown voltage of these gas mixtures, using gas flow between two electrodes. The impact of gas temperature, flow velocity, chemical composition and electrode separation distance is studied, as current and voltage across the electrodes are recorded. Furthermore, an arrangement for planar laser-induced fluorescence measurements (PLIF) of hydroxyl (OH) radicals is added to the setup, with the purpose of evaluating the flame behaviour following ignition by the discharge. Chemical kinetics simulations are also performed, the trends of which are discussed in relation to the OH PLIF results.

The breakdown voltage of both gas mixtures is found to increase with increasing electrode separation. No firm conclusion can be drawn regarding the effect of temperature, flow velocity or chemical composition, which is attributed to the sensitivity of the setup. The discussion of the results is limited by the lack of literature on breakdown in non-uniform electric fields, which is the case in the present setup. If made more robust, the setup however shows promise to reveal the breakdown characteristics of gas media. The trends of the chemical kinetics simulations can be related to the OH PLIF results. Combined, the simulations and the OH PLIF measurements show that the combustion of gas mixtures at a high fuel-to-air ratio is driven by H radicals. This implies that fire can sustain inside a battery pack despite the absence of oxygen, which is highly relevant for the development of safer electrical vehicle batteries.

Popular Abstract (Swedish)

Spänningsmätningar och laserdiagnostik lär oss om brandsäkerhet i batterier.

Som du förmodligen känner till är användningen av fossila bränslen som drivmedel till bilar skadlig för både människor och miljö. Istället är elbilar en lösning som många biltillverkare satsar på idag. Volvo Cars har till exempel beslutat att alla bilar som säljs år 2030 ska vara helt eldrivna. Utvecklingen av elbilsbatterier går fort framåt, men i takt med att man utvecklar litium-jonbatterier som rymmer mer och mer energi ökar också säkerhetsriskerna. Vad händer egentligen om en elbil till exempel blir överhettad eller krockar, och antändliga gaser sprids ut i batterisystemet? Hur interagerar dessa gaser med strömmen, spänningen och de elektriska fälten inuti batteriet? Börjar det brinna, och i så fall på vilket sätt? Det är frågor vi har ställt oss i det här projektet.

I studien undersöktes två gasblandningar, som är sammansatta för att likna batterigaser från litium-jonbatterier med litium-järnfosfat (LFP) respektive litium-nickel-kobolt-aluminiumoxid (NCA) som katodmaterial. LFP-gasblandningen består ungefär till hälften av koldioxid och till en tredjedel av vätgas. NCA-gasblandningen består istället av vätgas till drygt 40 % och kolmonoxid till knappt 40 %. Den första frågeställningen som undersöktes handlar om hur de två gasblandningarna beter sig i ett elektriskt fält, närmare bestämt vilken spänning som krävs för att de ska bli elektriskt ledande. Experimentuppställningen bestod av två kopparelektroder som placerades ovanför öppningen till ett rör där gasblandningarna flödar ut. Genom att lägga på spänning över elektroderna formas ett elektriskt fält, som gör att gasen blir elektriskt ledande och elektroner accelereras i riktning från den ena elektroden mot den andra. Den här studien visade att både större avstånd mellan elektroderna och högre flödeshastighet gjorde att det krävdes mer spänning för att detta skulle ske. Det fanns också tecken på att en blandning av gaser kan kräva högre spänning för att börja leda ström än de rena gaser som den består av var för sig. Studier som dessa av hur batterigaserna beter sig kring ström, spänning och elektriska fält kan bland annat hjälpa oss att förstå om gaserna antänds eller inte då de påverkas av batteriets elektriska miljö.

I projektets andra frågeställning låg fokus istället på att förstå hur de två gasblandningarna brinner ifall de antänds. Detta studerades med hjälp av laserdiagnostik. I flammor reagerar bränsle (i det här fallet batterigaser) med syre, och då bildas och förbrukas bland annat hydroxylradikaler. När de bestrålas med laserljus skickar de själva ut ljus med en annan våglängd än den som kommer in. Ljuset från radikalerna registrerades av en kamera med ett filter som tar bort allt utom den våglängd som hydroxylradikalerna sänder ut. På så sätt kunde fördelningen av hydroxylradikaler i flamman avbildas. Ett särskilt spännande resultat från dessa mätningar var att då endast en liten mängd luft fanns tillgänglig till förbränningen så mättes en mindre mängd hydroxylradikaler än då det fanns gott om luft. Men nu undrar du kanske varför det är så spännande – du vet ju redan att det krävs syre vid förbränning, och då är det ju rimligt att det brinner mindre när det finns mindre luft, och att en mindre mängd hydroxylradikaler mäts. Men, studien visade att i fallet med endast lite luft brann gaserna lika livligt som i fallet med mycket luft! Hur kan detta komma sig? Jo, i studien visades även tecken på att de kemiska reaktionerna i fallet med lite luft drevs av väteradikaler istället för hydroxylradikaler. Sådan förbränning kräver inte lika mycket syre som förbränning som drivs av hydroxylradikaler. Tänk dig ett batterisystem i en bil där det finns batterigaser som har börjat brinna. Batterisystemet är ju någorlunda avskärmat från omgivande luft, men den här undersökningen har alltså indikerat att detta kanske inte räcker för att stoppa gaserna från att fortsätta brinna!

• author: Lövgren, Julia
• supervisor: Elna Heimdal Nilsson; Arman Subash
• organization: Combustion Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20231
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: PLIF, Laser-induced fluorescence, Laser-based diagnostics, Combustion, Lithium-ion battery
• report number: LRCP-246
• ISSN: 1102-8718
• language: English
• id: 9126186
• date added to LUP: 2023-06-16 16:32:52
• date last changed: 2023-06-16 16:32:52