Проактивное мультисенсорное решение для снижения риска перегрева литий-ионных аккумуляторов

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.

1. 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.

2. 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.

3. Maloney T. (2016) Lithium Battery Thermal Runaway Vent Gas Analysis. Technical Report. 1–35. DOI: 10.13140/RG.2.2.17563.80169.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Pepper D. W., Heinrich J. C. (2017) The Finite Element Method: Basic Concepts and Applications with MATLAB, MAPLE, and COMSOL. CRC Press. Boca Raton.

8. 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.