This paper describes the basic model and simulation results of thermal battery. Voltage and thermal analysis is a critical part of thermal-battery design because of the need to maintain the inner temperature above the electrolyte melting point. Traditionally, battery design has depended on an empirical approach, in which prototype batteries are outfitted with thermocouples and the design of subsequent batteries is refined accordingly. We have developed the basic model that allows the design engineer to configure or modify a battery, quickly conduct a thermal analysis, and efficiently review the results. Based on performance tests, the thermal-battery model was established and the effect of design parameters on battery performance was analyzed.
Novel characterization of thermal properties of a battery has been introduced by defining its frequency-dependent thermal impedance function. Thermal impedance function can be approximated as a thermal impedance spectrum by analyzing experimental temperature transient which is related to the thermal impedance function through Laplace transformation. In order to obtain temperature transient, a process has been devised to generate external heat pulse with heating wire and to measure the response of battery. This process is used to study several commercial Li-ion batteries of cylindrical type. The thermal impedance measurements have been performed using potentionstat/galvanostate controlled digital signal processor, which is more commonly available than flow-meter usually applied for thermal property measurements. Thermal impedance spectra obtained for batteries produced by different manufactures are found to differ considerably. Comparison of spectra at different states of charge indicates independence of thermal impedance on charging state of battery. It is shown that thermal impedance spectrum can be used to obtain simultaneously thermal capacity and thermal conductivity of battery by non-linear complex least-square fit of the spectrum to thermal impedance model. Obtained data is used to simulate a response of the battery to internal heating during discharge. It is found that temperature inside the battery is by one-third larger that on its surface. This observation has to be considered to prevent damage by overheating.
With the convergence of the information and communication technologies, a new age of technological civilization has arrived. This is the age of intelligent revolution, known as the 4th industrial revolution. The 4th industrial revolution is based on technological innovations, such as robots, big data analysis, artificial intelligence, and unmanned transportation facilities. This revolution would interconnect all the people, things, and economy, and hence will lead to the expansion of the industry. A high-density, high-capacity energy technology is required to maintain this interconnection. As a next-generation energy source, lithium-ion batteries are in the spotlight today. However, lithium-ion batteries can cause thermal runaway and fire because of electrical, thermal, and mechanical abuse. In this study, thermal runaway was induced in 72.5 Ah NCM pouch-type lithium-ion batteries because of thermal abuse. The surface of the pouch-type lithium-ion batteries was heated by the hot plate heating method, and the effect of the rate of increase in the surface temperature on the thermal runaway trigger time was analyzed using Minitab 19, a statistical analysis program. The correlation analysis results confirmed that there existed a strong negative relationship between each variable, while the regression analysis demonstrated that the thermal runaway trigger time of lithium-ion batteries can be predicted from the rate of increase in their surface temperature.
As accidents with thermal runaway (TR) of lithium-ion batteries occur sporadically, the safety concern is the main obstacle that hinders the large-scale applications of lithium ion batteries. In most accidents, the TR of a single cell occurred first, and then dissipated the heat to the surroundings and triggered the TR of adjacent cells, resulting in TR propagation. Therefore, it is important to understand the mechanism of TR propagation and determine the key parameters during TR propagation in a battery pack. In this study, we performed a numerical analysis on the thermal runaway phenomenon by cathode active materials and appearance sizes in cylindrical lithium-ion batteries using a two-dimensional analysis model. The model results showed that the TR propagation of 21700 type cells (21 mm diameter, 70 mm height) occurs more rapidly than 46800 type cells (46 mm diameter, 80 mm height) and the LFP cell has higher thermal safety than the NCM cell. Especially, we found that the effect of the separator on the occurrence of TR is negligible.
Thermal batteries are used for military power sources that require robustness and long storage life such as missiles and torpedoes. $FeS_2$ powder is currently used for cathode materials because of its high specific energy density, environmental non-toxicity and low cost. However, large particle size of conventional $FeS_2$ has been deterred its possible application for higher power thermal batteries. In order to improve the power density, high energy ball milling of $FeS_2$ has been introduced to crush the micron-sized $FeS_2$. Discharge characteristics of the single cells fabricated with nano-materials and conventional $FeS_2$ powder were evaluated.
한국고분자학회 2006년도 IUPAC International Symposium on Advanced Polymers for Emerging Technologies
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pp.69-70
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2006
In lithium-ion batteries, separator membrane's, main role is to physically isolate a cathode and an anode while maintaining rapid transport of ionic charge carriers during the passage of electric current. As far as battery safety is concerned, the electrical isolation of electrodes is most crucial since unexpected short-circuits across the membrane induces hot spots where thermal runaway may break out. Internal short-circuits are generally believed to occur by protrusions on the electrode surface either by unavoidable deposits of metallic impurities or by dendritic lithium growth during battery operation. Another cause is shrinkage of the separator membrane when exposed to heat. If separator membrane can be engineered to prevent the internal short-circuit, it will not be difficult to improve lithium-ion batteries' safety. Commonly the separators employed in lithium-ion batteries are made of polyethylene (PE) and/or polypropylene (PP). These materials have terrible limitations in preventing the fore-mentioned internal short-circuit between electrodes due to their poor dimensional stability and mechanical strength. In this study we have developed a novel separator membrane that possesses very high thermal and mechanical stability. The cells employing this separator provided noticeable safety improvement in the various abuse tests.
전기자동차의 동력원으로 사용되는 90Ah급 Nickel/Metal hydride 전지 11개로 구성된 module의 온도특성을 상용 software인 NISA II를 사용하여 해석하였다. 전지 module에 대한 element수를 감축하기 위하여 열전도도가 다른 여러 층을 통하여 전달되는 열흐름에 대한 해석을 전기저항 등가식을 사용하여 단순화하였으며, Cartesian coordinate의 축별로 다른 열전도도를 삽입하는 orthotropic model을 사용하였다. 전지 module의 온도를 낮추기 위하여 알루미늄 재질의 cooling fin을 전지와 전지사이에 삽입하여 실험을 수행하였고, 전지 module 최외곽에 위치한 fin에 의한 최고온도의 강하 효과는 미미하다는 결과를 얻었다. 전지 module내 전지별 온도차이를 극소화하기 위하여 cooling fin의 개수와 두께 그리고 측면 fin의 복합적인 영향에 대한 실험을 수행하였으며, 1mm 두께의 알루미늄 fin을 4개 사용하여 module내 전지별 최고온도의 차이를 $3^{\circ}C$ 이내로 줄일 수 있었다.
Thermal batteries are primary power sources for military applications requiring high reliability, robustness and long storage life. Conventional electrodes for thermal batteries are prepared by compacting powder mixtures into pellets. Separator is composed of halide mixture, such as LiCl-KCl eutectic salt, blended with MgO to immobilize the molten salt. In order to increase the power density and energy density, the resistance of electrolyte should be reduced because the resistance of electrolyte is predominant in thermal batteries. In this study, wetting behaviors and impregnation weight of molten salts as well as the micro structures of ceramic felt were investigated to be applicable to thin electrolyte. Discharge performances of single cell with the ceramic separator impregnated by molten salt were evaluated also. Zirconia felt with high porosity and large pore outperformed alumina felt in wetting characteristics and molten salt impregnation as well as discharge performances. Based on the results of this study, ceramic felt separator impregnated with molten salt have revealed as an alternative of conventional thick MgO based separator with no conspicuous sign of thermal runaway by short circuit.
Thermal batteries are heat-activated primary reserve power sources that use inorganic salt as electrolytes and specially designed to meet extremely long or environmentally severe storage requirements. They are primarily used to deliver high power for relatively short periods in such applications as fuzes, missiles, ordnance and other military applications. In this paper, we describe a general overview and research trends on electrode materials for thermal batteries.
As the energy density of lithium-ion batteries (LIBs) continues to increase, various separators are being developed to with the aim of improving the safety performance. Although poly(imide) (PI)-based separators are widely used, it is difficult to control their pore size and distribution, and this may further increase the risk associated. Herein, a melamine phosphonic acid (MP)-coated PI separator that can effectively control the pore structure of the substrate is suggested as a remedy. After the MP material is embedded into the PI separator with a simple one-step casting process, it effectively clogs the large pores of the PI separator, preventing the occurrence of internal short circuits during charging. It is anticipated that the MP material can also suppress rapid thermal runaway upon cycling due to its ability to reduce the internal temperature of the LIB cell caused by the desirable endothermic behavior around 300℃. According to experiments, the MP-coated PI separator not only decreases the thermal shrinkage rate better than commercial poly(ethylene) (PE) separators but also exhibits a desirable Gurley number (109.6 s/100 cc) and electrolyte uptake rate (240%), which is unique. The proposed separator is electrochemically stable in the range 0.0-5.0 V (vs. Li/Li+), which is the typical working potential of conventional electrode materials. In practice, the MP-coated PI separator exhibits stable cycling performance in a graphite-LiNi0.83Co0.10Mn0.07O2 full cell without an internal short circuit (retention: 90.3%).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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