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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-281226 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Relefors, Axel |
| Publisher | KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-CBH-GRU ; 2020:28 |
Page generated in 0.0021 seconds