Оцінка впливу механічної деформації корпусу літій-іонного елементу живлення Panasonic NCR18650B на його пожежну небезпеку

Автор(и)

  • Олександр Вікторович Лазаренко Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Україна https://orcid.org/0000-0003-0500-0598
  • Тарас Васильович Гембара Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Україна https://orcid.org/0000-0001-7160-9882
  • Віталій Ігорович Посполітак Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Україна https://orcid.org/0000-0002-9373-792X
  • Дмитро Петрович Войтович Львівський державний університет безпеки життєдіяльності, Україна https://orcid.org/0000-0002-2280-5585

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.276780

Ключові слова:

Panasonic NCR18650B, механічна деформація, температура горіння, математична модель, пожежна небезпека

Анотація

Розглянуто деформаційні властивості корпусу літій-іонного елемента  живлення (ЛІЕЖ) Panasonic NCR18650B (LiNi0.8Co0.15Al0.05O2) під час дії на нього статичного навантаження за різних способів закріплення елемента. Визначення властивостей ЛІЕЖ, за відповідних умов, дозволяє заповнити прогалину в існуючих дослідженнях, що в подальшому забезпечить безпеку їх використання.

За результатами експериментальних досліджень було визначено жорсткість та температурні показники ЛІЕЖ у відповідності до прикладеного навантаження. Встановлено найбільш небезпечний, з точки зору пожежної небезпеки, варіант прикладення статичного навантаження на елемент.

Експериментально встановлено, що в середньому корпус ЛІЕЖ Panasonic NCR18650B може витримати навантаження близько 80 кг·с/см2 (або 7,84 МПа) без подальшого займання. Збільшення сили тиску в межах понад 85–90 кг·с/см2 призводить до виникнення незворотної ланцюгової термохімічної реакції, що впродовж 2–3 секунд часу призводить до виникнення горіння ЛІЕЖ. Стискання ЛІЕЖ рівномірно по його бічній поверхні показало виникнення горіння при навантаженні на елемент, що склало 150 кг·с/см2. Середня температура елемента під час горіння, спричиненого деформацією корпусу, становить 350–450 °С, а максимальне значення зафіксовано у межах 580–680 °С.

Розроблена математична модель на основі математичної теорії тонких оболонок адекватно описує напружено-деформований стан циліндричного корпусу елементів під дією силового зосередженого та розподіленого навантаження. Розрахункова модель задовільно верифікується експериментальними результатами, дає змогу вдосконалити міцність та жорсткість корпусу ЛІЕЖ шляхом відповідного вибору марки сталі її корпусу, геометричних розмірів та конструктивного способу її закріплення

Біографії авторів

Олександр Вікторович Лазаренко, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра пожежної тактики та аварійно-рятувальних робіт

Тарас Васильович Гембара, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра прикладної математики і механіки

Віталій Ігорович Посполітак, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Відділення професійно-технічного навчання

Дмитро Петрович Войтович, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра пожежної тактики та аварійно-рятувальних робіт

Посилання

  1. Cai, Y., Ku, L., Wang, L., Ma, Y., Zheng, H., Xu, W. et al. (2019). Engineering oxygen vacancies in hierarchically Li-rich layered oxide porous microspheres for high-rate lithium ion battery cathode. Science China Materials, 62 (10), 1374–1384. doi: https://doi.org/10.1007/s40843-019-9456-1
  2. Chen, X., Li, H., Yan, Z., Cheng, F., Chen, J. (2019). Structure design and mechanism analysis of silicon anode for lithium-ion batteries. Science China Materials, 62 (11), 1515–1536. doi: https://doi.org/10.1007/s40843-019-9464-0
  3. Lazarenko, O., Berezhanskyi, T., Pospolitak, V., Pazen, O. (2022). Experimental evaluation of the influence of excessive electric current on the fire hazard of lithium-ion power cell. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (10 (118)), 67–75. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263001
  4. Lazarenko, O. V., Pazen, O. Y., Sukach, R. Y., Pospolitak, V. I. (2022). Experimental evaluation of fire hazard of lithium-ion battery during its mechanical damage. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 5, 68–73. doi: https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-5/068
  5. Chen, Y., Kang, Y., Zhao, Y., Wang, L., Liu, J., Li, Y. et al. (2021). A review of lithium-ion battery safety concerns: The issues, strategies, and testing standards. Journal of Energy Chemistry, 59, 83–99. doi: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.10.017
  6. GB/T 31485-2015. Safety requirements and test methods for traction battery of electric vehicle (English Version). Available at: https://www.codeofchina.com/standard/GBT31485-2015.html
  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. Xi, S., Chang, L., Chen, W., Zhao, Q., Guo, Y., Cai, Z. (2021). Mechanical Response Analysis of Battery Modules Under Mechanical Load: Experimental Investigation and Simulation Analysis. Energy Technology, 10 (3), 2100763. doi: https://doi.org/10.1002/ente.202100763
  9. Kermani, G., Keshavarzi, M. M., Sahraei, E. (2021). Deformation of lithium-ion batteries under axial loading: Analytical model and Representative Volume Element. Energy Reports, 7, 2849–2861. doi: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.05.015
  10. Yuan, Q., Chen, X., Meng, K., Wang, P., Tang, L., Wang, T. et al. (2022). Research on Mechanical Simulation Model and Working Safety Boundary of Large-Capacity Prismatic Lithium-Ion Battery Based on Experiment. Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, 19 (3). doi: https://doi.org/10.1115/1.4054062
  11. Wang, L., Yin, S., Yu, Z., Wang, Y., Yu, T. X., Zhao, J. et al. (2018). Unlocking the significant role of shell material for lithium-ion battery safety. Materials & Design, 160, 601–610. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.10.002
  12. Xi, S., Zhao, Q., Chang, L., Huang, X., Cai, Z. (2020). The dynamic failure mechanism of a lithium-ion battery at different impact velocity. Engineering Failure Analysis, 116, 104747. doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2020.104747
  13. Xing, B., Xiao, F., Korogi, Y., Ishimaru, T., Xia, Y. (2021). Direction-dependent mechanical-electrical-thermal responses of large-format prismatic Li-ion battery under mechanical abuse. Journal of Energy Storage, 43, 103270. doi: https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103270
  14. Perea, A., Paolella, A., Dubé, J., Champagne, D., Mauger, A., Zaghib, K. (2018). State of charge influence on thermal reactions and abuse tests in commercial lithium-ion cells. Journal of Power Sources, 399, 392–397. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.112
  15. Muresanu, A. D., Dudescu, M. C. (2022). Numerical and Experimental Evaluation of a Battery Cell under Impact Load. Batteries, 8 (5), 48. doi: https://doi.org/10.3390/batteries8050048
  16. Yin, H., Ma, S., Li, H., Wen, G., Santhanagopalan, S., Zhang, C. (2021). Modeling strategy for progressive failure prediction in lithium-ion batteries under mechanical abuse. ETransportation, 7, 100098. doi: https://doi.org/10.1016/j.etran.2020.100098
  17. 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
  18. Sheikh, M., Elmarakbi, M., Rehman, S., Elmarakbi, A. (2021). Internal Short Circuit Analysis of Cylindrical Lithium-Ion Cells Due to Structural Failure. Journal of The Electrochemical Society, 168(3), 030526. doi: https://doi.org/10.1149/1945-7111/abec54
  19. Zhang, X., Wierzbicki, T. (2015). Characterization of plasticity and fracture of shell casing of lithium-ion cylindrical battery. Journal of Power Sources, 280, 47–56. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.01.077
  20. Material No.: AISI 321. Available at: https://woite-edelstahl.com/aisi321en.html
  21. Xia, Y., Wierzbicki, T., Sahraei, E., Zhang, X. (2014). Damage of cells and battery packs due to ground impact. Journal of Power Sources, 267, 78–97. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.05.078
  22. Kisters, T., Sahraei, E., Wierzbicki, T. (2017). Dynamic impact tests on lithium-ion cells. International Journal of Impact Engineering, 108, 205–216. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2017.04.025
  23. Xu, J., Liu, B., Wang, L., Shang, S. (2015). Dynamic mechanical integrity of cylindrical lithium-ion battery cell upon crushing. Engineering Failure Analysis, 53, 97–110. doi: https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.03.025
  24. Xu, J., Liu, B., Wang, X., Hu, D. (2016). Computational model of 18650 lithium-ion battery with coupled strain rate and SOC dependencies. Applied Energy, 172, 180–189. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.03.108
Оцінка впливу механічної деформації корпусу літій-іонного елементу живлення Panasonic NCR18650B на його пожежну небезпеку

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-04-30

Як цитувати

Лазаренко, О. В., Гембара, Т. В., Посполітак, В. І., & Войтович, Д. П. (2023). Оцінка впливу механічної деформації корпусу літій-іонного елементу живлення Panasonic NCR18650B на його пожежну небезпеку. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(7 (122), 69–78. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.276780

Номер

Том 2 № 7 (122) (2023): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Oleksandr Lazarenko, Taras Hembara, Vitalii Pospolitak, Dmytro Voytovych

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.