bsuirДоклады БГУИРDoklady BGUIR1729-76482708-0382БГУИР10.35596/1729-7648-2025-23-2-70-76bsuir-4113Research ArticleСтатьиПроактивное мультисенсорное решение для снижения риска перегрева литий-ионных аккумуляторовProactive Multisensory Solution for Mitigating Thermal Runaway Risks in Li-Ion BatteriesФедосенкоВ. С.FiadosenkaU. S.

Минск

Uladzimir S. Fiadosenka, Master’s, Postgraduate

220013, Minsk, P. Brovki St., 6 

v.fedosenko@bsuir.byДонгЛинксиDongLinxi

Ханчжоу

PhD (Microelectronics and Solid-State Electronics), Professor

Hangzhou

ЮэЦенксиYueChenxi

Ханчжоу

Postgraduate

Hangzhou

ГорохГ. Г.GorokhG. G.

Минск

Gennady G. Gorokh, Сand. Sci. (Tech.), Leading Researcher

Minsk

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and RadioelectronicsУниверситет Ханчжоу ДианзиHangzhou Dianzi University2025290420252327076Copyright © Федосенко В.С., Донг Л., Юэ Ц., Горох Г.Г., 20252025Федосенко В.С., Донг Л., Юэ Ц., Горох Г.Г.Fiadosenka U.S., Dong L., Yue C., Gorokh G.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.bsuir.by/jour/article/view/4113

В статье представлены концепция и результаты моделирования мультисенсорной системы, разработанной для предотвращения теплового разгона в литий-ионных аккумуляторах. Особенно это актуально для батарей LCO, NMC и NCO. Система интегрирует три типа датчиков: емкостной датчик давления, газовый датчик на основе металлооксидного полупроводника и платиновый датчик температуры. Причем все датчики располагаются на одном чипе, что обеспечивает повышенную надежность и безопасность, минимизируя риски возгорания, взрыва или повреждения аккумуляторов. Предложены три режима работы аккумулятора: нормальный, опасный и критический. В нормальном режиме температура и концентрация газа остаются на безопасных уровнях, в опасном они начинают повышаться, что указывает на возможное начало разрушительных реакций. В критическом режиме аккумулятор достигает опасных уровней – это может привести к повреждению, возгоранию или взрыву. Мультисенсорную систему моделировали с использованием пакета COMSOL Multiphysics 6.1 с применением метода конечных элементов. Этот подход способствует повышению безопасности литий-ионных аккумуляторов, решая проблемы контроля за их состоянием. Масштабируемость системы делает ее подходящей для применения как в портативной электронике, так и для электрических транспортных средств.

The paper presents the concept and modeling results of a multisensor system designed to prevent thermal runaway in lithium-ion batteries. This is especially true for LCO, NMC and NCO batteries. The system integrates three types of sensors: a capacitive pressure sensor, a gas sensor based on a metal oxide semiconductor, and a platinum temperature sensor. Moreover, all sensors are located on a single chip, which ensures increased reliability and safety, minimizing the risks of fire, explosion, or damage to batteries. Three battery operating modes are proposed: normal, hazardous, and critical. In the normal mode, the temperature and gas concentration remain at safe levels, while in the hazardous mode, they begin to increase, indicating the possible onset of destructive reactions. In the critical mode, the battery reaches hazardous levels, which can lead to damage, fire, or explosion. The multisensor system was modeled using the COMSOL Multiphysics 6.1 package using the finite element method. This approach helps to improve the safety of lithium-ion batteries by solving the problems of monitoring their condition. The scalability of the system makes it suitable for applications in both portable electronics and electric vehicles.

моделированиетепловой разгонлитий-ионные аккумуляторымультисенсорная системагазовый сенсордатчик давлениядатчик температурыsimulationthermal runawaylithium-ion batteriesmultisensory systemgas sensorpressure sensortemperature sensorReferencesHuang Li, Qiangling Duan, Chunpeng Zhao, Zonghou Huang, Qingsong Wang (2019) Experimental Investigation on the Thermal Runaway and Its Propagation in the Large Format Battery Module with Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 as Cathode. Journal of Hazardous Materials. 375, 241–254. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.03.116.Huang Li, Qiangling Duan, Chunpeng Zhao, Zonghou Huang, Qingsong Wang (2019) Experimental Investigation on the Thermal Runaway and Its Propagation in the Large Format Battery Module with Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2 as Cathode. Journal of Hazardous Materials. 375, 241–254. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2019.03.116.Ting Cai, Stefanopoulou A. G., Siegel J. B. (2019) Early Detection for Li-Ion Batteries Thermal Runaway Based on Gas Sensing. ECS Transactions. 89 (1), 85–97. DOI: 10.1149/08901.0085ecst.Ting Cai, Stefanopoulou A. G., Siegel J. B. (2019) Early Detection for Li-Ion Batteries Thermal Runaway Based on Gas Sensing. ECS Transactions. 89 (1), 85–97. DOI: 10.1149/08901.0085ecst.Maloney T. (2016) Lithium Battery Thermal Runaway Vent Gas Analysis. Technical Report. 1–35. DOI: 10.13140/RG.2.2.17563.80169.Maloney T. (2016) Lithium Battery Thermal Runaway Vent Gas Analysis. Technical Report. 1–35. DOI: 10.13140/RG.2.2.17563.80169.Sixun Li, Shiyu Zhou, Shuaiyin Zhao, Tengfei Jin, Maohua Zhong, Zhuhao Cen, et al. (2023) Room Temperature Resistive Hydrogen Sensor for Early Safety Warning of Li-Ion Batteries. Chemosensors. 11 (6). https://doi.org/10.3390/chemosensors11060344.Sixun Li, Shiyu Zhou, Shuaiyin Zhao, Tengfei Jin, Maohua Zhong, Zhuhao Cen, et al. (2023) Room Temperature Resistive Hydrogen Sensor for Early Safety Warning of Li-Ion Batteries. Chemosensors. 11 (6). https://doi.org/10.3390/chemosensors11060344.Yang Jin, Zhikun Zheng, Donghui Wei, Xin Jiang, Hongfei Lu, Lei Sun, et al. (2020) Detection of Micro-Scale Li Dendrite via H2 Gas Capture for Early Safety Warning. Joule. 4 (8), 1714–1729. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.05.016.Yang Jin, Zhikun Zheng, Donghui Wei, Xin Jiang, Hongfei Lu, Lei Sun, et al. (2020) Detection of Micro-Scale Li Dendrite via H2 Gas Capture for Early Safety Warning. Joule. 4 (8), 1714–1729. https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.05.016.Gorokh G., Zakhlebayeva A., Taratyn I., Lozovenko A., Zhylinski V., Iji M., et al. (2022) A Micropowered Chemoresistive Sensor Based on a Thin Alumina Nanoporous Membrane and SnxBikMoyOz Nanocomposite. Sensors. 22. https://doi.org/10.3390/s22103640.Gorokh G., Zakhlebayeva A., Taratyn I., Lozovenko A., Zhylinski V., Iji M., et al. (2022) A Micropowered Chemoresistive Sensor Based on a Thin Alumina Nanoporous Membrane and SnxBikMoyOz Nanocomposite. Sensors. 22. https://doi.org/10.3390/s22103640.Pepper D. W., Heinrich J. C. (2017) The Finite Element Method: Basic Concepts and Applications with MATLAB, MAPLE, and COMSOL. CRC Press. Boca Raton.Pepper D. W., Heinrich J. C. (2017) The Finite Element Method: Basic Concepts and Applications with MATLAB, MAPLE, and COMSOL. CRC Press. Boca Raton.Bohr-Ran H., Deepa K., Hsin-Rong H., Adhimoorthy S. (2024) Heterostructure Interfaces and Dimensionally Transformed GaO/ZnO Nanostructures for Room-Temperature Hydrogen Gas Sensors. International Journal of Hydrogen Energy. 64, 889–895. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.03.273.Bohr-Ran H., Deepa K., Hsin-Rong H., Adhimoorthy S. (2024) Heterostructure Interfaces and Dimensionally Transformed GaO/ZnO Nanostructures for Room-Temperature Hydrogen Gas Sensors. International Journal of Hydrogen Energy. 64, 889–895. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.03.273.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.