Med övergången till elektrifiering inom transport uppstår nya utmaningar när det gäller batterisystem som placeras i elfordon. Det finns för närvarande en möjlighet att minska riskerna med toxiciteten hos partiklar som sprutas ut med de gaser som bildas under termisk rusning i litiumjonbattericeller som är placerade i batterisystem. Syftet med denna avhandling är att identifiera potentiella material för partikelfiltrering från dessa gaser, undersöka de valda materialens prestanda i ett experiment, och föreslå material för framtida studier. Filtermaterialet är avsett att sitta vid ventilen i batteripacket. Totalt valdes 5 filter för experimenten, där 3 av dessa var mikrofiberfilter gjorda av kvarts och 2 var mikrofiberfilter av glas. Filtren klämdes mellan stålplattor med ett hål, och placerades 40 cm ovanför battericellens ventil. Battericellerna utlöstes till termisk rusning och filtren placerades i den direkta vägen för utslungade partiklar för att testa deras termiska motstånd och partikelretentionsförmåga. Filtren karaktäriserades med hjälp av vägning, svepelektronmikroskopi, samt energidispersivt röntgenspektroskopi. Efter ett första test ansågs glasfiberfiltren inte ha tillräckligt hög värmeresistens för att fortsätta testas. Kvartsmikrofiberfiltren varierade i fråga om värmeresistens, där de ibland brann upp och ibland förblev helt intakta. Detta berodde troligtvis till stor del på skillnader i termisk rusning mellan experimenten på grund av varierande uppvärmningsparametrar. Kvalitativt sett lyckades kvartsmikrofiberfiltren fånga upp partiklar, men det kan inte kvantifieras i detta experiment hur effektiva de var när det gäller partikelretention. Filtren visade potential för en enkel tillämpning i batteripacket, men ytterligare forskning bör göras för att undersöka viktiga faktorer, såsom mottryck från filtren. Dessutom finns det vissa material som kan vara intressanta att testa i framtiden, bland annat keramiska material, sintrade metallfiberfiltar och ablativa material. / With the shift towards electrification in transportation, new challenges arise with regards to battery systems placed in electric vehicles. There is an opportunity to reduce risks associated with the toxicity of particles ejected from the gases that form during thermal runaway (TR) in lithium-ion battery cells placed in battery systems. The aim of this thesis is to identify potential materials for particle filtration from these gases, investigate the performance of the chosen materials in an experiment, and suggest materials for future studies. The filter material is intended to sit by the vent in the battery pack. In total 5 filters were chosen for the experiments, where 3 of those were quartz microfibre filters and 2 were glass microfibre filters. The filters were sandwiched between steel plates with a hole, placed 40 cm above the battery cell vent. The battery cells were triggered into thermal runaway, and the filters were placed in the direct path of ejected particles in order to test their thermal resistance and particle retention capabilities. The filters were characterized using weighing, scanning electron microscopy, and energy-dispersive X-ray spectroscopy. From an initial test, the glass fibre filters were deemed not sufficient enough in terms of thermal resistance to continue being tested. The quartz microfibre filters varied in terms of thermal resistance, where they at times burned away and other times remained intact. This was largely attributed to differences in TRs between the experiments due to varying heating parameters. Qualitatively, the quartz microfibre filters succeeded in catching particles, but it cannot be quantified in this experiment how efficient they were in terms of particle retention. The filters showed potential in an easy application in battery packs, but further research should be done to investigate important factors, such as back pressure from the filters. Furthermore, there are certain materials that could be interesting to trial in the future. These include ceramic materials, sintered metal fibre felts, and ablative materials.

Laddning av eldrivna fordon ombord på fartyg innebär betydande säkerhetsutmaningar. Detta examensarbete utforskar riskerna förknippade med denna process och undersöker hur dessa kan förhindras. Metoden är en litteraturundersökning av befintlig forskning. Vi identifierar och utvärderar riskerna med att ladda litiumjonbatterier ombord på fartyg och granskar även relevanta regelverk och standarder för skyddsåtgärder. Resultaten visar att batterihälsa och batterityp påverkar fordonets säkerhet samt att termisk rusning är en risk. Termisk rusning kan upptså vid mekaniska, elektriska, eller termiska skador. För att hantera dessa risker finns det flertal skyddsåtgärder såsom Battery management system som övervakar batteriets kondition och förhindrar överladdning. Andra åtgärder inkluderar säkringar, brytare, bimetallsiska termostater samt postiva termiska koefficienter. Lastbalansering är även viktig för att minska riskerna. Disskussione betonar vikten av säkerhetsåtgärder samt regelverk för att säkerställa en trygg laddningsprocess ombord på fartyg. Genom att implementera de identifierade skyddsåtgärder kan sjöfarten ta betydande steg mot en hållbar och säker framtid.

The use of lithium-ion batteries is something that is becoming more common in today’s society. They are found in a variety of electronic equipment such as mobile phones, laptops and tools. Several incidents have been reported due to lithium-ion batteries ending up in a state called thermal runaway. This in combination with the increasing demands for environmentally friendly and sustainable energy in the form of e.g. wind turbines and solar panels, can therefore lead to unforeseen consequences. Residual energy from wind or solar power can be stored in an energy storage, often a battery system of several interconnected lithium-ion batteries. In case of an incident in these storages where a large quantity of these batteries is located, there is a risk that an explosion will occur. This further leads to the interest if it’s possible to prevent an explosion with the help of mechanical ventilation.  The purpose of this report has been to investigate the reasons why these batteries are being able to cause an explosion, what gases are emitted in the event of a thermal runaway and how explosive they are. With the results given it’s possible to then perform calculations on ventilation capacity needed to maintain a non-explosive atmosphere. This was carried out through a literature study of currently available research combined with information from various authorities, hand calculations and calculations in Excel.  With the results of the literature study, it can be stated that the battery cell consisting of the cathode material lithium-nickel-manganese-cobalt oxide (NMC) is most reactive. The most common gases emitted from these cells during thermal runaway are hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethylene and ethane. These gases are also the most common gases during thermal runaway when the battery consists of a different cathode material, but the distribution may look different. All of these gases, with the exception of carbon dioxide, are flammable and can contribute to an explosive atmosphere.  Three different scenarios are developed where thermal runaway is assumed to take place at a battery cell inside battery storages of different sizes: two container-based energy storage and one battery storage for home use located in a garage space. In these respective scenarios, a certain number of cells are assumed to be in thermal runaway. The lower flammability limit for the ventilated gas mixture is determined to 8,53% based on the amount of emitted gas and the distribution of it due to thermal runaway. With the knowledge of the lower flammability limit of the emitted gas mixture, as well as other available data from each scenario, the desired capacity for ventilation is calculated at 0,23 m3/s for the two container-based battery storages and at 0,035 m3/s for the battery storage located in the garage space. If this capacity of the ventilation is present when thermal runaway occurs, it means that the concentration of combustible gases should remain below the lower flammability limit. It is worth noting that these calculations were performed to some extent based on assumptions and may therefore be judged more as approximate rather than exact.  The conclusions drawn by the performed calculations are that mechanical ventilation is a potential alternative to ensure that the atmosphere in a battery storage doesn’t become explosive if a thermal runaway occurs in the battery cells.

Syftet med denna studie är att forska i hur olika rederier och besättningar förhåller sig till avsaknaden av regelverk gällande transport av fordon med litiumjonbatterier. Tidigare forskning visar att bränder i litiumjonbatterier skiljer sig från bränder i konventionella bilar då det finns risk för att termisk rusning initieras i cellerna vilket medför att återantändningsrisken är stor och branden svårsläckt med begränsade mängder vatten. Metoden som har använts är semistrukturerade intervjuer i syfte att få en dialog med välutvecklade svar mellan respondenten och forskarna genom en intervjuguide. En rederirepresentant och en befälhavare från tre olika ro-ro rederier som vartdera trafikerar tre olika fartområden intervjuades. Resultatet visar att det råder delade meningar från branschen om regelverk och risken med att transportera elbilar beroende på vilket fartområde och typ av ro-ro fartyg som transporten bedrivs på. Fortsatt forskning inom effektiva släckmetoder med fokus på släckning av elbilar ombord på ro-ro fartyg rekommenderas. / The purpose of this study is to research how different shipping companies and crews relate to the absence of regulations. Previous research shows that fires in lithium-ion batteries differ from fires in conventional cars because there is a risk of thermal runaway being initiated in the cells, which means that the risk of re-ignition is high, and the fire is difficult to extinguish with limited amounts of water. The method used is a semi-structured interview aimed at creating a dialogue with well-developed responses between the respondent and the researchers through an interview guide. A shipping company representative and a captain from three different ro-ro shipping companies with three different trafficked zones were interviewed. The results show that there are differing opinions within the industry regarding regulations and the risk of transporting electric cars depending on the speed range and type of ro-ro vessel used for transportation. More research on how to effectively extinguish fires in electric cars onboard ro-ro ships is recommended.

The Swedish Armed Forces are investigating high-risk applications where lithium-ion batteries (LIB) can replace traditional lead-acid batteries. Understanding the potential safety risks and evaluating a battery's instability is crucial for military applications. This report aimed to identify critical safety parameters (temperature, potential, and impedance) in commercial batteries with NMC and LFP electrode chemistries, and to investigate how surrounding cells are affected when a battery suffers from thermal runaway (TR) in a battery module developed by FOI. Accelerated rate calorimetry (ARC) experiments on NMC-based Samsung SDI INR21700-40T and INR21700-50E and LFP-based A123 Systems ANR26650m1-B batteries were conducted to identify critical onset conditions of TR. ARC experiments were conducted with continuous electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurements to correlate thermal behavior with electrochemical changes in the cell impedance and voltage. The NMC-based batteries showed a distinct endothermic reaction between 116 °C and 121 °C, an onset temperature of exothermic self-heating at around 120 °C, which progressed to an explosive decomposition at about 170 °C and resulted in an adiabatic temperature rise of 250 °C to 290 °C. A significant increase in the cell’s impedance at around 100 °C indicated that the current interrupt device (CID) was triggered due to gas formation and critical pressure build-up within the cell. The LFP-based battery demonstrated improved thermal stability during ARC measurements and did not suffer from TR when heated to 300 °C. Thermal runaway propagation experiments were conducted in a battery module developed by FOI. The identified onset temperatures and electrochemical markers were then used to evaluate the stability of the module cells. Cell temperature increases between 16 °C and 48 °C was observed in cells directly adjacent to the trigger cell. Cells further from the trigger cell experienced uniform temperature increases of between 8 °C and 30 °C. EIS measurements of the module cells revealed no significant changes in their impedance spectra. The insulating polymer wrap around each cell was found to be crucial in preventing TR propagation. TR propagated from cell-to-cell in the module when the insulating wraps were removed, and cells were in direct contact with the thermally conductive heat sink. / Försvarsmakten undersöker högriskapplikationer där litiumjonbatterier kan ersätta traditionella blysyrabatterier. Att förstå säkerhetsrisker och utvärdera ett batteris instabilitet är särskilt viktigt för militära tillämpningar. Denna rapport syftar till att identifiera kritiska säkerhetsparametrar (temperatur, spänning och impedans) för kommersiella batterier med NMC- och LFP-elektrodkemier samt undersöka hur omkringliggande celler påverkas när ett batteri termiskt rusar (TR) i en batterimodul utvecklad av FOI. ARC-experiment genomfördes på NMC-baserad Samsung SDI INR21700-40T och INR21700-50E och A123 Systems ANR26650m1-B batterier för att karakterisera förloppet av termisk rusning (TR). ARC-experiment utfördes med kontinuerliga elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) för att korrelera termiskt beteende med elektrokemiska förändringar i cellimpedansen och spänningen. Det NMC-baserade batterierna uppvisade en tydlig endotermisk reaktion mellan 116 °C och 121 °C, exotermiska reaktioner påbörjades vid 120 °C och ledde till explosiv termisk rusning vid cirka 170 °C, vilket gav upphov till en adiabatisk temperaturökning på 250 °C till 290 °C. En signifikant ökning av cellens impedans vid cirka 100 °C indikerade att den inre säkerhetsventilen utlöstes på grund av gasbildning och kritisk tryckuppbyggnad i cellen. Det LFP-baserade batteriet visade förbättrad termisk stabilitet under ARC-mätningar och drabbades inte av TR vid uppvärmning till 300 °C. Termiska rusningsförsök genomfördes på en batterimodul utvecklad av FOI. De identifierade starttemperaturerna och elektrokemiska markörerna användes för att utvärdera modulcellernas stabilitet. Celltemperaturökningar mellan 16 °C och 48 °C observerades i celler direkt intill triggcellen. Celler längre från triggcellen upplevde likformiga temperaturökningar mellan 8 °C och 30 °C. EIS-mätningar av modulcellerna avslöjade inga signifikanta förändringar i deras impedansspektra. Det isolerande polymeromslaget runt varje cell var avgörande för att förhindra propagering av termisk rusning i modulen. Termisk rusning propagerade från cell till cell i modulen när de isolerande omslagen togs bort och cellerna var i direkt kontakt med den värmeledande kylflänsen.