Експериментальна оцінка впливу надлишкового електричного струму на пожежну небезпеку літій-іонного елемента живлення

Автор(и)

  • Олександр Вікторович Лазаренко Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Україна https://orcid.org/0000-0003-0500-0598
  • Тарас Григорович Бережанський Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Україна https://orcid.org/0000-0002-1290-706X
  • Віталій Ігорович Посполітак Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Україна https://orcid.org/0000-0002-9373-792X
  • Олег Юрійович Пазен Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Україна https://orcid.org/0000-0003-1655-3825

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263001

Ключові слова:

пожежна небезпека, літій-іонний елемент живлення, надлишковий струм, температура горіння

Анотація

Було розглянуто літій-іонний елемент живлення (ЛІЕЖ) Panasonic NCR18650B (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2) та його поведінку внаслідок дії на нього надлишкового постійного струму. Експериментально було встановлено та математично підтверджено основні пожежонебезпечні показники (температуру горіння елементу, температуру полум’я, час нагрівання елемента, тощо) представленого ЛІЕЖ.

За результатами експериментальних досліджень було визначено час настання незворотної термохімічної реакції в літій-іонному елементі живлення залежно від різної сили постійного струму. Додатково,  встановлено критичну температуру початку незворотної термохімічної реакції та загальну температуру горіння елементу. Застосування законів Джоуля-Ленца та Фур’є дало змогу здійснити математичний опис залежності (впливу) сили постійного струму в часі та нагрівання елемента до критичної температури.

Експериментально встановлено та математично підтверджено час нагріву ЛІЕЖ Panasonic NCR18650B (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2) до критичної температури 100–150 °С за умови впливу надлишкового струму. Встановлено, що середній час початку горіння ЛІЕЖ при 17, 30, 40 А становить 103, 58, 43 секунд відповідно.

Встановленні критичні показники елементу (температура, час, тощо) дають можливість в подальшому здійснити розробку низки необхідних регулюючих документів, що наддадуть змогу здійснювати їх сертифікацію, апробацію та загалом краще зрозуміти небезпеки, які вони можуть представляти. Отримана математична модель, яка, враховуючи геометричні параметри елементу, дає можливість здійснити розрахунок настання критичної температури подібних елементів з відмінними геометричними параметрами без проведення експериментальних досліджень

Біографії авторів

Олександр Вікторович Лазаренко, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра пожежної тактики та аварійно-рятувальних робіт

Тарас Григорович Бережанський, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Кандидат технічних наук

Кафедра наглядово-профілактичної діяльності та пожежної автоматики

Віталій Ігорович Посполітак, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Навчально-пожежно-рятувальна частина

Олег Юрійович Пазен, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Кандидат технічних наук

Кафедра наглядово-профілактичної діяльності та пожежної автоматики

Посилання

  1. Haider, W. H. (2020). Estimates of Total Oil & Gas Reserves in The World, Future of Oil and Gas Companies and SMART Investments by E & P Companies in Renewable Energy Sources for Future Energy Needs. Paper presented at the International Petroleum Technology Conference. doi: https://doi.org/10.2523/iptc-19729-ms
  2. Mananga, E. S. (2020). Lithium-ion Battery and the Future. Recent Progress in Materials, 03 (02), 1–1. doi: https://doi.org/10.21926/rpm.2102012
  3. Nykvist, B., Nilsson, M. (2015). Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles. Nature Climate Change, 5 (4), 329–332. doi: https://doi.org/10.1038/nclimate2564
  4. Huang, Z., Li, H., Mei, W., Zhao, C., Sun, J., Wang, Q. (2020). Thermal Runaway Behavior of Lithium Iron Phosphate Battery During Penetration. Fire Technology, 56 (6), 2405–2426. doi: https://doi.org/10.1007/s10694-020-00967-1
  5. Lazarenko, O., Loik, V., Shtain, B., Riegert, D. (2018). Research on the Fire Hazards of Cells in Electric Car Batteries. Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza, 52, 108–117. doi: https://doi.org/10.12845/bitp.52.4.2018.7
  6. Chombo, P. V., Laoonual, Y. (2020). A review of safety strategies of a Li-ion battery. Journal of Power Sources, 478, 228649. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228649
  7. Ruiz, V., Pfrang, A., Kriston, A., Omar, N., Van den Bossche, P., Boon-Brett, L. (2018). A review of international abuse testing standards and regulations for lithium ion batteries in electric and hybrid electric vehicles. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 81, 1427–1452. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.195
  8. Lazarenko, O., Pospolitak, V. (2021). Methods of testing lithium-ion batteries for fire hazard. Fire Safety, 39, 49–55. doi: https://doi.org/10.32447/20786662.39.2021.06
  9. Ren, D., Feng, X., Lu, L., He, X., Ouyang, M. (2019). Overcharge behaviors and failure mechanism of lithium-ion batteries under different test conditions. Applied Energy, 250, 323–332. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.05.015
  10. Mevawalla, A., Panchal, S., Tran, M.-K., Fowler, M., Fraser, R. (2020). Mathematical Heat Transfer Modeling and Experimental Validation of Lithium-Ion Battery Considering: Tab and Surface Temperature, Separator, Electrolyte Resistance, Anode-Cathode Irreversible and Reversible Heat. Batteries, 6 (4), 61. doi: https://doi.org/10.3390/batteries6040061
  11. Li, J., Sun, D., Jin, X., Shi, W., Sun, C. (2019). Lithium-ion battery overcharging thermal characteristics analysis and an impedance-based electro-thermal coupled model simulation. Applied Energy, 254, 113574. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113574
  12. Bhundiya, H., Hunt, M., Drolen, B. (2018). Measurement of the effective radial thermal conductivities of 18650 and 26650 lithium-ion battery cells. TFAWS 2018. Available at: https://tfaws.nasa.gov/wp-content/uploads/TFAWS18-IN-08_Paper.pdf
  13. Kimm Y., Siegel, J. B., Stefanopoulou, A. G. (2013). A computationally efficient thermal model of cylindrical battery cells for the estimation of radially distributed temperatures. 2013 American Control Conference. doi: https://doi.org/10.1109/acc.2013.6579917
  14. Bubbico, R., D’Annibale, F., Mazzarotta, B., Menale, C. (2019). Thermal Model of Cylindrical Lithium-ion Batteries. Chemical Engineering Transactions, 74, 1291–1296. doi: https://doi.org/10.3303/CET1974216
  15. Li, L., Ju, X., Zhou, X., Peng, Y., Zhou, Z., Cao, B., Yang, L. (2021). Experimental Study on Thermal Runaway Process of 18650 Lithium-Ion Battery under Different Discharge Currents. Materials, 14 (16), 4740. doi: https://doi.org/10.3390/ma14164740
  16. Xu, B., Kong, L., Wen, G., Pecht, M. G. (2021). Protection Devices in Commercial 18650 Lithium-Ion Batteries. IEEE Access, 9, 66687–66695. doi: https://doi.org/10.1109/access.2021.3075972
  17. Sun, P., Bisschop, R., Niu, H., Huang, X. (2020). A Review of Battery Fires in Electric Vehicles. Fire Technology, 56 (4), 1361–1410. doi: https://doi.org/10.1007/s10694-019-00944-3
  18. Pazen, O., Tatsiy, R. (2021). Mathematical modeling of the heat transfer process in the system of multilayer cylindrical solid bodies considering internal sources of heat. Scientific Bulletin: Сivil Protection and Fire Safety, 1 (9), 66–75. doi: https://doi.org/10.33269/nvcz.2020.1.66-75
  19. Tatsiy, R., Stasiuk, M., Pazen, O., Vovk, S. (2018). Modeling of boundary-value problems of heat conduction for multilayered hollow cylinder. 2018 International Scientific-Practical Conference Problems of Infocommunications. Science and Technology (PIC S&T). doi: https://doi.org/10.1109/infocommst.2018.8632131
  20. Muenzel, V., Hollenkamp, A. F., Bhatt, A. I., de Hoog, J., Brazil, M., Thomas, D. A., Mareels, I. (2015). Comment on “A Comparative Testing Study of Commercial 18650-Format Lithium-Ion Battery Cells” [J. Electrochem. Soc., 162, A1592 (2015)]. Journal of The Electrochemical Society, 162 (12), Y11–Y12. doi: https://doi.org/10.1149/2.0241512jes
  21. Wang, D., Bao, Y., Shi, J. (2017). Online Lithium-Ion Battery Internal Resistance Measurement Application in State-of-Charge Estimation Using the Extended Kalman Filter. Energies, 10 (9), 1284. doi: https://doi.org/10.3390/en10091284
  22. Duh, Y.-S., Tsai, M.-T., Kao, C.-S. (2016). Characterization on the thermal runaway of commercial 18650 lithium-ion batteries used in electric vehicle. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 127 (1), 983–993. doi: https://doi.org/10.1007/s10973-016-5767-1

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-08-30

Як цитувати

Лазаренко, О. В., Бережанський, Т. Г., Посполітак, В. І., & Пазен, О. Ю. (2022). Експериментальна оцінка впливу надлишкового електричного струму на пожежну небезпеку літій-іонного елемента живлення. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(10 (118), 67–75. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263001

Номер

Том 4 № 10 (118) (2022): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Oleksandr Lazarenko, Taras Berezhanskyi, Vitalii Pospolitak, Oleg Pazen

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.