Modeling and simulation of thermo-electrochemistry of thermal runaway in lithium-ion batteries

Abstract

With the rapid development of high-power lithium-ion batteries, there are growing demands for improving the safety of lithium-ion cells. Exothermic electrochemical reactions in the cells are responsible for thermal risks. The goal of this thesis is to provide a detailed analysis of exothermic degradation mechanisms (i.e., runaway chemistries) inside of a lithium-ion cell through the development of runaway chemistry numerical models coupled with an electrochemical battery model. These models are based on a thermo- electrochemical multi-scale approach and were implemented in an in-house simulation environment. In this work, degradation mechanisms for both the anode and the cathode were developed. Moreover, lithium-ion batteries with two types of cathodes (lithium iron phosphate and a blend of lithium nickel cobalt aluminum oxide and lithium manganese oxide) were also investigated. The runaway chemistry models established in this work include solid electrolyte interface (SEI) formation and decomposition, oxygen evolution from cathode and solvent oxidation, and lithium hydration associated with reactions between gaseous products of SEI decomposition. These chemistries were modeled as global reactions with an Arrhenius-type temperature dependence. In order to validate and obtain the kinetic parameters of these global reactions, simulations of differential scanning calorimetry were conducted for each electrode. The thermal calculation framework also allows further establishment of sub-reactions in a cell. Furthermore, simulations of an entire cell were conducted utilizing the established runaway chemistries of the electrodes. We also investigated how degradation processes influence cell conditions under thermal and electrical abuse. The analysis of these abuse simulations enables to predict possible triggers of thermal runaway, in addition to providing model validity under abuse conditions.

Aufgrund der rasant steigenden Energie- und Leistungsdichte moderner Lithium-Ionen-Batterien wächst auch der Anspruch an die Sicherheit der Zellen. Dabei stellen exotherme elektrochemische Reaktionen das groößte Risiko für die Zellen dar, da sie ein sogenanntes thermisches Durchgehen oder ”thermal runaway“auslösen können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch die Entwicklung numerischer Modelle exothermer Degradationsmechanismen und deren Kopplung an ein elektrochemisches Batteriemodell eine detaillierte Untersuchung des thermischen Durchgehens von Li-Ionen-Batterien durchzuführen. Die Modelle basieren auf einem thermo-elektrochemischen Multiskalenmodell und wurden als Erweiterung einer bestehenden Simulationsumgebung implementiert. Degradationsmechanismen wurden dazu sowohl an der Graphit-Anode als auch an zwei verschiedenen Kathoden untersucht, nämlich Lithium-Eisenphosphat sowie einer Mischung aus Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid und Lithium-Mangandioxid. Die Modelle der chemischen Reaktionen, die zu einem thermischen Durchgehen führen, berücksichtigen die Bildung bzw. Auflösung einer SEI (solid electrolyte interface) und die Sauerstoffentwicklung durch Oxidation der Kathode bzw. des Elektrolyten ebenso wie Reaktionen zwischen gasförmigen Produkten der SEI-Zersetzung. Die chemischen Mechanismen wurden dazu als globale Reaktionen implementiert und sie werden jeweils durch einen Arrhenius-Ansatz beschrieben. Um die kinetischen Parameter zu bestimmen und zu validieren, wurden für jede Elektrode dynamische Differenzkalorimetrieverläufe simuliert. Die globalen Reaktionsmechanismen können durch Hinzufügen von Nebenreaktionen oder durch eine detailliertere Beschreibung der Teilreaktion ergänzt bzw. verfeinert werden. Anschließend wurden unter Verwendung der entwickelten ”thermal runaway“-Mechanismen Simulationen der gesamten Batterie durchgeführt. Dadurch konnte der Effekt der Degradationsprozesse auf das Verhalten der Zelle bei thermischer oder elektrischer Überlastung untersucht werden. Zunächst wurde dazu die Gültigkeit des Modells für diese Betriebsbedingungen belegt. Durch die weitere Analyse dieser Simulationen können schließlich kritische Betriebsbedingungen vorhergesagt werden, bei denen ein erhöhtes Risiko des thermischen Durchgehens besteht.