Safety of lithium-ion batteries: an experimental and computational fluid dynamics approach for electrolyte evaporation and dispersion

Increased effort to combat climate change and facilitate the green transition on a worldwide scale demands an accelerated deployment of cost-competitive low-carbon technologies. In recent years, lithium-ion batteries have become a key-enabling technology for essential sectors like mobility and energy storage, thus becoming the most widespread within the rechargeable battery market. Due to their near-universal use, continuous improvement of lithium-ion battery technology is taking place, whilst also aiming at identifying and reducing their inherent safety risks. Lithium-ion batteries may be prone to failure, which could lead to fires and generation of hazardous environments for humans. A common failure mode of lithium-based batteries is the leakage of the electrolyte, an essential component composed of highly volatile, flammable and toxic compounds. In enclosed environments with poor ventilation, only 24.7 ml of dimethyl carbonate - a commonly used electrolyte solvent – is needed to generate a hazardous atmosphere for human exposure in a 61.5 m3 room (i.e., common size of a garage). Since visual detection of a small leakage of volatile electrolyte is difficult, development of monitoring and early warning systems is necessary. The aim of this work is to aid the design of such monitoring systems by deepening the understanding of the dispersion dynamics of electrolyte vapours generated after leakage. To this end, a dual approach was used: the modelling of liquid solvents evaporation and their vapours dispersion through computational fluid dynamics, and an extensive experimental campaign to investigate these processes within an enclosed, 1 m3 environment. With the use of photo-ionisation detector sensors, the evolution of the vapour cloud generated during evaporation was studied, giving a significant insight into the behaviour of the heavy vapours. Results presented in this work showcased the tendency of electrolyte vapours to accumulate at the bottom of the domain in which the evaporation process is occurring, independent on the size of the environment. As heavy vapours spread radially, horizontal dispersion is dominant, whereas vertical dispersion is found to be slower and dependent on the presence of obstacles. As such, when designing an effective monitoring system within a large environment, it is necessary to consider that dangerous and more easily detectable concentrations of evaporated electrolyte solvents may be found at lower heights within the domain. For this reason, it is essential that the positioning of sensors for monitoring systems must be close to ground level.

L’aumento degli sforzi per contrastare il cambiamento climatico ha portato alla produzione continua di tecnologie a basse emissioni di carbonio economicamente competitive, nel tentativo di facilitare la transizione verde su scala globale. Da alcuni anni, le batterie al litio sono diventate tecnologie fondamentali per il settore della mobilità e dell’energy storage, farendendole le più utilizzate tra quelle disponibili sul mercato delle batterie ricaricabili. L’uso sempre più diffuso delle batterie al litio rende necessario non solo un costante avanzamento tecnologico, ma anche un’attenta valutazione dei rischi associati al loro impiego, al fine di garantire la sicurezza pubblica. I guasti delle batterie al litio possono portare alla generazione di incendi o a condizioni ambientali pericolose per gli esseri umani. Una delle modalità di guasto più comuni è la perdita della miscela elettrolitica, che rappresenta un componente essenziale per il funzionamento della batteria. Sfortunatamente, l’elettrolita è composto da sostanze altamente volatili, infiammabili e tossiche. In un ambiente chiuso e privo di ventilazione, bastano solo 24.7 ml di dimetilcarbonato – un solvente comunemente usato nella miscela dell’elettrolita – per creare condizioni tossiche in una stanza di 61.5 m3 (i.e., dimensioni standard di un garage). Inoltre, a causa dell’elevata volatilità delle sostanze presenti nell’elettrolita impedisce un riscontro visiva di tali perdite, rendendo necessario l’uso di un sistema di allarme e monitoraggio. Questo lavoro si propone di supportare il progettazione di un sistema di monitoraggio attraverso lo studio della dinamica di dispersione dei vapori generati dall’elettrolita a seguito a una perdita. Sono stati adottati due approcci: la modellazione dei vapori del liquido evaporante attraverso la fluidodinamica computazionale e una campagna sperimentale sull’evaporazione di solventi comunemente usati nell’elettrolita, condotta in un ambiente chiuso di 1 m3. Tramite sensori di fotoionizzazione, l’evoluzione della nube di vapore generata durante l’evaporazione è stata studiata e modellata, con l’obiettivo di approfondire la comprensione del comportamento dei vapori pesanti. I risultati di questo lavoro mostrano una tendenza dei vapori dell’elettrolita ad accumularsi sul fondo del’ambiente di evaporazione, indipendentemente dalla dimensione dell’ambiente stesso. I vapori pesanti si espandono radialmente, quindi la dispersione orizzontale è dominante, dall’altra parte, la dispersione verticale è fortemente influenzata dalla presenza di ostacoli. Di conseguenza, in un sistema di monitoraggio pensato per ambienti di grandi dimensioni, le concentrazioni di elettrolita evaporato a basse altitudini sono più facilmente rilevabili, ma anche più pericolose. Per questo motivo, è fondamentale posizionare i sensori di monitoraggio a livelli bassi (i.e., vicino al terreno) per permettere un rapido rilevamento delle perdite di elettrolita.