Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Analysis of fluoride compounds from Li-ion battery fires

Sjölin, Amanda LU (2025) FYSK04 20251
Department of Physics
Combustion Physics
Abstract
Lithium-ion batteries are widely used and remain the dominant energy storage technology for modern electronics and electric vehicles. Despite their widespread adoption, these batteries pose safety risks, including fire hazards and thermal runaway. One aspect that has received relatively little attention in current research is the formation and impact of fluorinated compounds during battery degradation and thermal runaway events. This project aims to improve understanding of the role and formation of these compounds particularly hydrofluoric acid (HF) in lithium-ion batteries, through a comprehensive literature review complemented by a small scale simulation study. The main takeaways from the literature review are that thermal decomposition... (More)
Lithium-ion batteries are widely used and remain the dominant energy storage technology for modern electronics and electric vehicles. Despite their widespread adoption, these batteries pose safety risks, including fire hazards and thermal runaway. One aspect that has received relatively little attention in current research is the formation and impact of fluorinated compounds during battery degradation and thermal runaway events. This project aims to improve understanding of the role and formation of these compounds particularly hydrofluoric acid (HF) in lithium-ion batteries, through a comprehensive literature review complemented by a small scale simulation study. The main takeaways from the literature review are that thermal decomposition of LiPF6 is central to HF formation, producing PF5, \ce{H2O}, \ce{POF3}, and HF. The formation of HF induces a feedback cycle in which HF both forms from and accelerates further electrolyte breakdown. Electrolyte composition strongly affects these reactions. Solvent properties, especially permittivity, influence HF formation, with DMC showing higher thermal stability than EC, though EC is critical for solid electrolyte interphase formation. LiPF6 modifies decomposition temperatures and gas evolution patterns. The main gas oberved in thermal runaway are carbon oxides, hydrocarbons, fluorohydrocarbons, and oxygenated species. Radical reactions involving HF further contribute to fluorohydrocarbons formation, highlighting the complexity of these processes. Simulation results suggest that HF has no effect on ignition delay time but decreases flame speed, while CH3F reduces ignition delay time and increases flame speed. Together, these findings emphasize the need for targeted strategies to control HF formation and mitigate its impact on battery safety. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
De flesta batteridrivna prylar idag, som mobiltelefoner, bärbara datorer och elbilar drivs av litiumjonbatterier. Under de senaste åren har efterfrågan på batterier med hög energitäthet ökat kraftigt, vilket gjort att litiumjonbatterier används allt mer. Även om de är stabila kan de innehålla så mycket energi att ett fel kan bli riktigt allvarligt. Du har säkert hört talas om batterier som exploderat i bilar eller cyklar och orsakat stora skador. En av de farligaste situationerna kallas termisk rusning det är när ett batteri börjar värmas upp av sig självt i en okontrollerbar kedjereaktion.

Trots att det finns forskning om termisk rusning är det fortfarande mycket vi inte vet, särskilt om vissa ämnen som bildas men som inte direkt... (More)
De flesta batteridrivna prylar idag, som mobiltelefoner, bärbara datorer och elbilar drivs av litiumjonbatterier. Under de senaste åren har efterfrågan på batterier med hög energitäthet ökat kraftigt, vilket gjort att litiumjonbatterier används allt mer. Även om de är stabila kan de innehålla så mycket energi att ett fel kan bli riktigt allvarligt. Du har säkert hört talas om batterier som exploderat i bilar eller cyklar och orsakat stora skador. En av de farligaste situationerna kallas termisk rusning det är när ett batteri börjar värmas upp av sig självt i en okontrollerbar kedjereaktion.

Trots att det finns forskning om termisk rusning är det fortfarande mycket vi inte vet, särskilt om vissa ämnen som bildas men som inte direkt orsakar rusningen. I min forskning ville jag ta reda på hur så kallade fluorerade ämnen bildas och frigörs i litiumjonbatterier. Det gäller både under farliga situationer som termisk rusning och under normal användning, samt vid åldrande eller annan påfrestning, som värme, elektriska stötar eller mekaniska skador. Fluorerade ämnen är kemiska föreningar som innehåller minst en fluoratatom. Många av dem är giftiga för både människor och miljö. Ett särskilt intressant ämne är vätefluorid (HF).

För att förstå när och hur dessa ämnen bildas kombinerade jag litteraturstudier med datorbaserade simuleringar. Jag granskade forskning om hur HF och andra fluorerade ämnen bildas när batterier bryts ner, både när elektrolyten läcker ut som vätska och när HF frigörs som gas vid till exempel termisk rusning eller brand. I simuleringarna studerade jag hur olika fluorerade ämnen påverkar bland annat flamshastighet och antändningstid vid olika temperaturer och syrehalter.\\

Varför är detta viktigt? Dessa ämnen är farliga, så ju bättre vi förstår hur de frigörs och samlas, desto bättre kan vi skydda både människor och miljö. Just nu vet vi fortfarande ganska lite om vad som exakt får dem att frigöras. För att kunna förebygga olyckor måste vi förstå alla delar av processen, även de små detaljerna.

Forskningen visar att den största källan till fluorerade ämnen är nedbrytning av \ce{LiPF6}, särskilt när det finns små mängder vatten. Valet av elektrolyt påverkar också hur stabila ämnena är och hur de bryts ner. Ett ämne, DMC, är mer värmetåligt än EC, men EC är viktigt för att bilda det skyddande skikt som täcker batteriets elektroder. Simuleringarna visade att HF sänker flamshastigheten men påverkar inte hur snabbt det börjar brinna, medan CH3F ökar flamshastigheten och gör att antändning sker snabbare.

Sammanfattningsvis visar resultaten hur komplicerad påverkan från fluorerade ämnen är på litiumjonbatteriers säkerhet. De understryker också vikten av att designa batterier och elektrolyter på ett sätt som minskar risker vid termisk rusning. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Sjölin, Amanda LU
supervisor
organization
course
FYSK04 20251
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
lithium-ion battery, HF, Flourinated compounds, thermal runaway, battery fire, hydrogen flouride
language
English
id
9213268
date added to LUP
2025-09-30 15:41:39
date last changed
2025-09-30 15:41:39
@misc{9213268,
  abstract     = {{Lithium-ion batteries are widely used and remain the dominant energy storage technology for modern electronics and electric vehicles. Despite their widespread adoption, these batteries pose safety risks, including fire hazards and thermal runaway. One aspect that has received relatively little attention in current research is the formation and impact of fluorinated compounds during battery degradation and thermal runaway events. This project aims to improve understanding of the role and formation of these compounds particularly hydrofluoric acid (HF) in lithium-ion batteries, through a comprehensive literature review complemented by a small scale simulation study. The main takeaways from the literature review are that thermal decomposition of LiPF6 is central to HF formation, producing PF5, \ce{H2O}, \ce{POF3}, and HF. The formation of HF induces a feedback cycle in which HF both forms from and accelerates further electrolyte breakdown. Electrolyte composition strongly affects these reactions. Solvent properties, especially permittivity, influence HF formation, with DMC showing higher thermal stability than EC, though EC is critical for solid electrolyte interphase formation. LiPF6 modifies decomposition temperatures and gas evolution patterns. The main gas oberved in thermal runaway are carbon oxides, hydrocarbons, fluorohydrocarbons, and oxygenated species. Radical reactions involving HF further contribute to fluorohydrocarbons formation, highlighting the complexity of these processes. Simulation results suggest that HF has no effect on ignition delay time but decreases flame speed, while CH3F reduces ignition delay time and increases flame speed. Together, these findings emphasize the need for targeted strategies to control HF formation and mitigate its impact on battery safety.}},
  author       = {{Sjölin, Amanda}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Analysis of fluoride compounds from Li-ion battery fires}},
  year         = {{2025}},
}