Development of a Multi-Physics Numerical Framework for Lithium-Ion Cell Thermal Runaway

Thermal runaway is a phenomenon in which a lithium battery releases large amounts of heat and gas due to uncontrolled internal chemical reactions. This catastrophic failure is usually associated with the release of flammable gases that can auto-ignite or be ignited, creating significant fire risks. This is especially significant in the electric transport industry where hundreds or even thousands of these cells are assembled in battery packs. If thermal runaway spreads to neighboring cells, it can trigger a chain reaction throughout the battery pack. In this master thesis, a literature review on thermal runaway and its numerical modeling is presented. It is focused on thermal runaway in cylindrical 18650 lithium-ion batteries with an NMC cathode. The review is divided into two sections. The first part provides a brief description of cylindrical cells, describes the trigger mechanisms and stages of thermal runaway, and details the safety mechanisms added to prevent and mitigate this phenomenon. An overview of the gas generation mechanism and the composition released by NMC cells is also provided. In the second part, the state of the art in numerical modeling of thermal runaway is presented, with a detailed look at the models used in the literature to represent various phenomena involved. A numerical model of thermal runaway for an NMC 18650 lithium-ion battery is then developed using the commercial software ANSYS Fluent. The governing equations and models employed are described, along with the geometry and configuration choices. The different combustion models available in Fluent are investigated before running a full thermal runaway simulation and comparing the results with experimental data. Finally, the model is scaled up to simulate two batteries simultaneously. Key results show that the model predicts that the cell undergoes thermal runaway following an initial pressure release at 152.7°C, reaches a maximum temperature of 472.8°C, and releases 83.17 kJ of energy. This work demonstrates that accurate numerical modeling of thermal runaway can be achieved using the models available in ANSYS Fluent. The model presented incorporates key phenomena, including gas and heat generation, venting, combustion, and propagation, while remaining adaptable and scalable. The proof of concept of modeling an entire battery pack with each cell capable of independently undergoing thermal runaway is shown.

Résumé

L’emballement thermique est le phénomène où une batterie au lithium libère soudainement de grandes quantités de chaleur en raison de réactions chimiques internes incontrôlées. Ce phénomène s’accompagne de la libération de gaz inflammables, créant d’importants risques d’incendie, notamment dans les moyens de transport électriques qui regroupent plusieurs centaines, voire milliers, de ces cellules. Si l’emballement se propage aux cellules voisines, il peut entraîner une réaction en chaîne dans l’ensemble du bloc-batterie. Dans ce mémoire, une revue de littérature sur l’emballement thermique et sa modélisation numérique est présentée. Le phénomène d’emballement thermique est étudié sous le prisme des batteries lithium-ion cylindriques 18650 utilisant la technologie NMC pour la cathode. Cette revue se divise en deux parties. La première décrit les causes et les différentes étapes de l’emballement thermique, ainsi que les dispositifs de sécurité intégrés par les constructeurs pour prévenir et limiter ce phénomène. Une vue d’ensemble de la génération de gaz est également fournie. Dans la seconde partie, l’état de l’art de la modélisation numérique de l’emballement thermique est présenté. Les modèles utilisés dans la littérature pour représenter les différents phénomènes sont détaillés. Un modèle numérique de l’emballement thermique pour une batterie lithium-ion 18650 NMC est ensuite développé à l’aide du logiciel commercial ANSYS Fluent. Les principales équations et les différents modèles employés sont décrits. De plus, la géométrie et les choix d’implémentation sont explicités. Les différents modèles de combustion disponibles dans Fluent sont étudiés avant la réalisation d’une simulation complète de l’emballement thermique et sa comparaison avec des résultats expérimentaux. Finalement, le modèle est utilisé pour modéliser deux batteries simultanément. Ce travail montre qu’il est possible de réaliser une simulation numérique capturant les principales étapes du phénomène d’emballement thermique à l’aide des outils disponibles dans ANSYS Fluent. Le modèle présenté intègre les principaux phénomènes, tels que la génération de gaz et de chaleur, le dégazage, la combustion et la propagation, tout en étant adaptable. La modélisation d’un bloc batterie est également possible, avec chaque cellule capable d’entrer individuellement en emballement thermique.