Análisis numérico y experimental del fenómeno de thermal runaway en baterías de litio

Abstract

[ES] La producción de vehículos híbridos y eléctricos (HEV & BEV) ha experimentado un crecimiento exponencial los últimos años y se sitúan como la primera opción para sustituir en un futuro a corto plazo a los vehículos diésel o gasolina gracias al gran impulso de los gobiernos estatales centrados en una transición ecológica hacia el objetivo de cero emisiones. Es por ello por lo que los problemas asociados a este tipo de tecnologías han adquirido gran importancia y las grandes compañías automovilísticas han puesto los focos en ellos para tratar de mejorar la seguridad y eficiencia de sus vehículos. Uno de los grandes problemas de la tecnología eléctrica es el fenómeno de Thermal Runaway, un fenómeno todavía bastante desconocido inherente a los elementos de almacenamiento de energía eléctrica actuales y que consiste en un aumento de la temperatura del elemento provocado por reacciones exotérmicas que se generan en él, causadas precisamente por la elevada temperatura, entrando en una retroalimentación térmica que finaliza cuando se consumen todos los materiales reactivos. Este proceso puede originar, en el peor de los casos, la combustión del módulo de baterías afectado y en consecuencia poner en peligro a los usuarios de estos vehículos. En este trabajo, por tanto, se comienza el estudio tanto numérico como experimental del proceso de Thermal Runaway en baterías de litio 18650 orientadas a vehículos híbridos y eléctricos con el fin de llegar a comprender este fenómeno profundamente y poder mejorar la seguridad de los módulos de baterías utilizados como unidad de potencia. El estudio numérico se realiza mediante dinámica de fluidos computacional (CFD) con el software Converge CFD y se centra en dos tipos de simulaciones: simulaciones termofluidodinámicas, que toman en cuenta los campos de temperaturas en el dominio incluso considerando posibles procesos de combustión; y simulaciones fluidodinámicas donde la modelización se centra en los procesos físicos de producción y expulsión de gases en una batería de litio afectada y aislada. En los resultados de estas simulaciones se analizan las temperaturas alcanzadas en un módulo de baterías afectado por una celda en proceso de Thermal Runaway, la mezcla de los gases expulsados dentro del pack y su combustión, la presión interna de una batería tanto en la rotura del disco de seguridad de la batería como en el proceso de generación de gases debido a las reacciones exotérmicas y las propiedades físicas del chorro de gas producido. Por otra parte, el estudio experimental se centra en el diseño, montaje y realización de una sala de ensayos ideada para la emulación del proceso de expulsión de gases de una batería de litio 18650. Esto se consigue mediante la inyección de CO_2 presurizado al ambiente a través de una geometría de celda real y captando el proceso por efecto Schlieren. Los resultados servirán en un futuro para validar las simulaciones CFD realizadas y los modelos utilizados en ellas.

[EN] Hybrid and electric vehicles (HEV & BEV) production have experienced an exponential growth last couple of years and are the most popular option for replacing diesel and gasoline vehicles in short term thanks to the great push the governments, focused on a green transition to the zero emissions objective, are giving to them. Due to this, big automotive companies are putting their efforts in solving the most common problems related to this technology to improve the safety and efficiency of their vehicles. One of the biggest problems of the electric technology is the Thermal Runaway phenomena, a still quite misunderstood phenomena inherent to current electric batteries which consists in a temperature increase caused by exothermic reactions generated inside them, originated by this high temperature and starting so an uncontrolled thermal positive feedback that ends when all the reagents are consumed. This process can trigger, at worst, the combustion of the damaged battery module, compromising the safety of these vehicles¿ users. Therefore, this Master thesis consists in establishing the bases of a both numerical and experimental study of the Thermal Runaway process in lithium-ion 18650 batteries used in hybrid and electric vehicles with the purpose of comprehend deeply this phenomenon and be able to improve the security of their battery modules. In one hand, the numerical study is done by computational fluid dynamics (CFD) with the software Converge CFD and is focused on two types of simulations: Thermal fluid dynamic simulations, which consider temperature fields in the computational domain and including modelling of possible combustion processes; and fluid dynamic simulations which are focused in the modelling of the physical processes of production and ejection of gases in a damaged and isolated lithium battery. In the results of these simulations are analysed the temperatures reached in a battery module with a battery cell in Thermal Runaway, the mix of the ejected gases inside the pack and its possible combustion, the physical properties of the gas jet produced and the internal pressure of a battery when the cell security disk breaks and during the gas generation process due to the exothermic reactions. On the other hand, the experimental study is focused on the design, assembly and execution of a test setup devised for emulating the gas ejection process in a lithium-ion 18650 battery. This is achieved via an injection of pressurized CO_2 to the ambient through a real battery geometry and capturing the process by Schlieren effect. The results will be used in the future for validating the CFD simulations and the models included in them.