АНАЛІЗ ПРОДУКТІВ ТЕРМІЧНОГО РОЗКЛАДУ ЯК СПОСІБ РАННЬОГО ВИЯВЛЕННЯ ЗАГОРАННЯ ЛІТІЙ-ІОННИХ АКУМУЛЯТОРІВ ЖИВЛЕННЯ
Анотація
Вступ. Різноманітні пожежні сповіщувачі та давачі залежно від своїх характеристик виявляють осередки горіння на ранніх стадіях загорань, що призводить до спрацювання систем пожежогасіння та/ або виклику оперативно-рятувальних підрозділів. Однак, такий шлях виявлення горіння може бути запізнілим та неефективним в разі горіння літій-іонних елементів живлення (ЛІЕЖ) та акумуляторних батарей великої потужності на їх основі. Мета та задачі дослідження. Метою роботи є аналіз продуктів термічного розкладу, що утворюються внаслідок виникнення незворотної термохімічної реакції у внутрішньому наповненні ЛІЕЖ з подальшим визначенням ключових параметрів, які можуть слугувати індикаторами початку виникнення незворотної термохімічної реакції в ЛІЕЖ. Для досягнення поставленої мети в роботі було: здійснено аналіз сучасного стану науково-обґрунтованих результатів експериментальних досліджень щодо визначення продуктів термічного розкладу ЛІЕЖ; встановлено ключові показники та параметри типові для всіх ЛІЕЖ під час перебігу реакції термічного розкладу; визначено та обґрунтовано параметри та показники за якими можливо встановити початок горіння ЛІЕЖ. Методи. Для вирішення поставлених задач дослідження необхідно здійснити аналітичне опрацювання сучасних результатів наукових досліджень (теоретичних та експериментальних) щодо визначення та встановлення хімічного складу та параметрів, що супроводжують термічний розклад внутрішнього наповнення ЛІЕЖ під час виникнення незворотної термохімічної реакції. Результати. Встановлено, що основними показниками, що визначають початок виникнення термічного розкладу внутрішнього наповнення ЛІЕЖ є безпосереднє зростання абсолютного тиску в об’ємі розташування ЛІЕЖ внаслідок термічного розкладу твердого електроліту, аноду та катоду елемента. В подальшому зростає концентрація вуглекислого та чадного газу за рахунок інтенсивного розкладу та згорання інших продуктів термічного розкладу. В окремих випадках, зокрема при термічному розкладі ЛІЕЖ NCR 18650B, також може виділятися HF. Висновки. На першопочаткових стадіях термічного розкладу елемента (90–120 °С) йде інтенсивне виділення C2H4, CO2, CO, HF, DMC, EMC. Після зростання температурних показників вище (в межах 180–300 °С), відбувається інтенсивний термічний розклад DMC, EMC на такі сполуки як CH3OCH3, C2H5OH, C2H6, C2H4; основними показниками попереднього виявлення термічного розкладу ЛІЕЖ можна вважати зростання тиску в замкнутому об’ємі зберігання (використання) елементів, підвищення концентрації CO2, CO.
Завантаження
Посилання
2. Prediction of heat release rate of single/double 32,650 lithium ion batteries / W. An et al. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2023. Vol. 148, № 5. P. 2057–2067. DOI: https://doi.org/10.1007/s10973-022-11766-x
3. McKinnon M., DeCrane S., Kerber S. Four firefighters injured in lithium-ion battery energy storage system explosion – Arizona. UL Firefighter Safety Research Institute, 2020. 66 p. DOI: https://doi.org/10.54206/102376/TEHS4612
4. Який хімічний склад найкраще підходить для електрифікації вашого автомобіля? Давайте відкриємо для себе різні типи акумуляторів : [сайт]. URL: https://www.flashbattery.tech/en/blog/types-of-lithium-batteries-which-chemistry-use/ (дата звернення: 22.04.2024).
5. TG-MS analysis of solid electrolyte interphase (SEI) on graphite negative-electrode in lithium-ion batteries / L. Zhao et al. Journal of Power Sources. 2006. Vol. 161, № 2. P. 1275–1280. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2006.05.045
6. Investigations of the exothermic reactions of natural graphite anode for li-ion batteries during thermal runaway / H. Yang et al. Journal of the Electrochemical Society. 2004. Vol. 152, № 1. P. A73. DOI: https://doi.org/10.1149/1.1836126
7. Gas chromatography/mass spectrometry as a suitable tool for the liion battery electrolyte degradation mechanisms study / G. Gachot et al. Analytical chemistry. 2011. Vol. 83, № 2. P. 478–485. DOI: https://doi.org/10.1021/ac101948u
8. Thermal reactions between delithiated lithium nickelate and electrolyte solutions / H. Arai et al. Journal of The Electrochemical Society. 2002. Vol. 149, № 4. P. A401. DOI: https://doi.org/10.1149/1.1452114
9. Characterization of behaviour and hazards of fire and deflagration for high-energy li-ion cells by over-heating / P. Ping et al. Journal of Power Sources. 2018. Vol. 398. P. 55–66. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.044
10. Bugryniec P. J., Vernuccio S., Brown S. F. Towards a micro-kinetic model of Li-ion battery thermal runaway – Reaction network analysis of dimethyl carbonate thermal decomposition. Journal of Power Sources. 2023. Vol. 580. Art. 233394. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233394
11. An experimental and kinetic modeling study on dimethyl carbonate (DMC) pyrolysis and combustion / W. Sun et al. Combustion and Flame. 2016. Vol. 164. P. 224–238. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2015.11.019
12. Fernandes Y., Bry A., de Persis S. Thermal degradation analyses of carbonate solvents used in Li-ion batteries. Journal of Power Sources. 2019. Vol. 414. P. 250–261. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.12.077
13. Nilsson E. J. K., Ahlberg Tidblad A. Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries: A Review of Experimental Results and Methodologies. Batteries. 2024. Vol. 10. Art. 443. DOI: https://doi.org/10.3390/batteries10120443
14. Darnikowsk D. Development of Thermal Runaway Emissions Aftertreatment System (TREAS) of Lithium Ion Batteries. Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery. 2023. № 142. P. 47–59. DOI: https://doi.org/10.58139/v2q1-r455
15. Somandepalli V., Marr K., Horn Q. Quantification of combustion hazards of thermal runaway failures in lithium-ion batteries. SAE International Journal of Alternative Powertrains. 2014. Vol. 3, № 1. P. 98–104. DOI: https://doi.org/10.4271/2014-01-1857
16. Identification of Key Events and Emissions during Thermal Abuse Testing on NCA 18650 Cells / S. Ubaldi et al. Energies. 2023. Vol. 16. Art. 3250. DOI: https://doi.org/10.3390/en16073250
17. Review of gas emissions from lithium-ion battery thermal runaway failure – Considering toxic and flammable compounds / P. J. Bugryniec et al. Journal of Energy Storage. 2024. Vol. 87. Art. 111288. DOI: https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111288
18. A review of nail penetration and thermal abuse tests of lithium-ion batteries and their emission characterization / A. S. Nair et al. Batteries. 2026. Vol. 12, № 2. Art. 74. DOI: https://doi.org/10.3390/batteries12020074
19. Ali M. M. E. H., Ghodrat M. Thermal and combustion characteristics of vent gases from lithiumion battery thermal runaway: a comprehensive review. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2025. Vol. 150. P. 13925–13952. DOI: https://doi.org/10.1007/s10973-025-14616-8
20. Advances in early warning of thermal runaway in lithium-ion battery energy storage systems / D. Han et al. Adv. Sensor Res. 2025. Vol. 4. Art. 2400165. DOI: https://doi.org/10.1002/adsr.202400165
21. Early warning method and fire extinguishing technology of lithium-ion battery thermal runaway: a review / K. Wang et al. Energies. 2023. Vol. 16. Art. 2960. DOI: https://doi.org/10.3390/en16072960
22. Ultrasonic Health Monitoring of Lithium-Ion Batteries / Y. Wu et al. Electronics. 2019. Vol. 8, № 7. Art. 751. DOI: https://doi.org/10.3390/ electronics8070751
23. Internal field study of 21700 battery based on longlife embedded wireless temperature sensor / L. Yang et al. Acta Mechanica Sinica. 2021. Vol. 37, № 6. P. 895–901. DOI: https://doi.org/10.1007/s10409-021-01103-0
24. Reliable and early warning of lithium-ion battery thermal runaway based on electrochemical impedance spectrum / P. Dong et al. Journal of the Electrochemical Society. 2021. Vol. 168. Art. 090529. DOI: https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac239b
25. The Multi-Parameter Fusion Early Warning Method for Lithium Battery Thermal Runaway Based on Cloud Model and Dempster-Shafer Evidence Theory / Z. Xie et al. Batteries. 2024. Vol. 10, № 9. Art. 325. DOI: https://doi.org/10.3390/batteries10090325
26. Miao H. Research on accurate fire detection & early warning model for lithium-ion battery packs. J. Phys.: Conf. Ser. 2024. Vol. 2703. Art. 012068. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/2703/1/012068
Ця робота ліцензована відповідно доCreative Commons Attribution 4.0 Міжнародної ліцензії.
Авторські права CC-BY
