Simulação química de fuga térmica de bateria

Não tente fazer isso em casa, a menos que você esteja simulando!

Fuga Térmica: uma recapitulação

Fuga térmica de baterias é um fenômeno perigoso em que a célula da bateria superaquece incontrolavelmente. Um loop de feedback autossustentável ocorre em que a bateria recebe uma certa quantidade de aquecimento e, se não for resolvido, isso, por sua vez, aciona uma série de reações químicas dentro da célula da bateria.

Essas reações liberam ainda mais calor e gases, o que pode resultar em enorme acúmulo de pressão dentro da bateria. Gases de ventilação extremamente quentes (mais de 1000 o C!) e combustíveis são então emitidos da célula da bateria. Quando esses gases se inflamam, o fogo se espalha para outras células da bateria e danos catastróficos podem ocorrer em um veículo elétrico, propriedade e, claro, apresenta um alto risco à vida.

Assista a este pequeno vídeo que mostra a natureza violenta de um evento de fuga térmica:

Deve ficar claro que esses cenários devem ser evitados, e os sistemas de bateria devem ser projetados para garantir uma operação segura se ocorrer um evento de fuga térmica. De fato, agora há várias regulamentações nacionais e internacionais que os fabricantes de células e veículos elétricos devem cumprir.

Hora de testar? – Calorimetria de taxa acelerada (ARC)

A maneira mais intuitiva de entender o comportamento das baterias quando elas passam por um evento de fuga térmica é replicar as causas da fuga térmica e ver como a bateria se comporta. No caso de superaquecimento, uma metodologia comum para entender a liberação de calor da bateria é um teste de calorimetria de taxa acelerada (“ARC”). Esses testes fornecem insights claros, mas vêm com alguns problemas: principalmente que os testes em si são caros, exigem acesso a instalações de teste e exigem um protótipo físico da célula da bateria! Claro, é aqui que a simulação pode se encaixar e permitir iterações rápidas de design no início do ciclo de design, com a segurança em mente.

O Simcenter STAR-CCM+ já possui uma ampla gama de modelos e funcionalidades para modelagem e segurança de baterias, desde o design de células 3D até o conjunto completo de baterias e propagação térmica durante um evento descontrolado:

Na versão 2502, será adicionada outro nível de funcionalidade – principalmente a capacidade de modelar fuga térmica detalhada em nível celular com o modelo Homogeneous Multiphase Complex Chemistry (HMMC).

Química de fuga térmica

Quando consideramos o interior de uma célula de bateria, então há vários sólidos (ânodo, cátodo e separadores), bem como eletrólito líquido. Quando ocorrem reações de fuga térmica, esses componentes podem reagir e se decompor para liberar gases inflamáveis, como hidrogênio e metano. Isso resulta em várias fases, todas reagindo entre si, por exemplo, multifásicas.

Para capturar essa complexidade, foi desenvolvida uma estrutura na qual os estágios iniciais de um evento de fuga térmica podem ser modelados com modelagem química detalhada. Isso permite que os designers modelem explicitamente as reações fundamentais que são acionadas durante um evento de fuga térmica. As reações são consideradas como uma mistura homogênea, permitindo uma configuração simples e fácil em conjunto com nosso modelo multifásico de mistura. Além disso, tudo isso é construído em cima de um comprovado solver de química complexa, permitindo que as reações sejam facilmente definidas usando a importação de arquivo chemkin padrão e contabilizando as reações intra e interfase. Isso fornece uma funcionalidade de modelagem exclusiva para entender profundamente o comportamento das baterias.

Por exemplo, pode-se configurar diretamente reações para decomposição/produção de SEI, decomposição de sal condutor, produção de fluoreto de hidrogênio e decomposição de cátodo; veja o exemplo de reações importadas para teste de fuga térmica acima.

Vamos cozinhar – Aquecer-Esperar-Buscar

Armados com uma nova ferramenta de modelagem, vamos aplicá-la à simulação de um teste ARC e ver como ele funciona. O teste ARC envolve um período inicial de aquecimento da bateria chamado Heat-Wait-Seek (HWS), em português Aquecer-Esperar-Buscar, onde a bateria é gradualmente aquecida antes de esperar para ver se as reações exotérmicas começam. Quando essas reações começam, nenhum calor é aplicado à bateria, e ela é deixada para continuar reagindo/autoaquecendo até o início da fuga térmica.

Revelando a interação de reações e transição de fase durante o abuso térmico de baterias de íons de lítio https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230881

Uma ótima coisa sobre ter essa funcionalidade de física dentro do Simcenter STAR-CCM+ é que podemos alavancar os recursos de automação. O processo de teste ARC pode ser facilmente implementado usando Simulation Operations and Stages sem nenhum script. E os resultados são excelentes:

Como pode ser visto, o novo modelo HMMC pode capturar com precisão o início tanto da reação exotérmica quanto da fuga térmica.

Ser capaz de capturar esse comportamento com precisão permite que contramedidas eficazes ou estratégias de mitigação, como escudos térmicos, sejam implementadas por engenheiros muito antes no processo de design de forma segura e econômica. Por exemplo, a geração de calor prevista dessa simulação pode ser usada como uma fonte de calor calculada com precisão diretamente em um modelo de nível de pacote maior, ou as composições de gás de ventilação previstas usadas para uma análise de combustão posterior. Um excelente exemplo de como a simulação é vital no ciclo de design da bateria.

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