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Comprehensive modeling of lithium-ion batteries thermal runaway behavior

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  • Additional Information
    • Contributors:
      Département Thermique Conversion et Hydrogène (ex-DTBH Département des Technologies Biomasse et Hydrogène) (DTCH); Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux (LITEN / CEA-DES); CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)); Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut National de L'Energie Solaire (INES); Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)); Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Savoie Mont Blanc (USMB Université de Savoie Université de Chambéry )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS); Institut de Combustion, Aérothermique, Réactivité et Environnement (ICARE); Université d'Orléans (UO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut des Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes - CNRS Ingénierie (INSIS - CNRS); Département de l'électricité et de l'hydrogène pour les transports (DEHT)
    • Publication Information:
      CCSD
    • Publication Date:
      2025
    • Collection:
      HAL-CEA (Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives)
    • Subject Terms:
    • Abstract:
      International audience ; The thermal runaway behavior of lithium-ion batteries is a critical area of research due to the complex thermal propagation phenomena involved. These phenomena include internal heat generation from exothermic reactions leading to the ejection of substantial amounts of combustible gases and condensed particles (solid and liquid) during venting. This study develops a transient 3D model using Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach considering the coupling between internal heat generation and the venting process. The model incorporates internal heat generation, combustion heat, and heat transfer with the surroundings through vented material. Solid particles are modeled via a Lagrangian interaction with the gas phase. The model was validated against 18650 lithium-ion batteries with Nickel Manganese Cobalt (NMC) cathodes in two configurations: a closed vessel and an open-end vessel. For the closed vessel, the model accurately predicted energy releases between 23 kJ and 77 kJ across states of charge from 15% to 100%, with a relative error of less than 9%. For the open-end vessel, the model captured temperature distributions at various distances from the cell, showing good agreement with experimental data. These results illustrate the model’s capability to predict key parameters of thermal runaway events under varying containment conditions.
    • Online Access:
      https://cea.hal.science/cea-05527865
      https://cea.hal.science/cea-05527865v1/document
      https://cea.hal.science/cea-05527865v1/file/Sirar-Chakaroun_ISFEH11.pdf
    • Rights:
      https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ ; info:eu-repo/semantics/OpenAccess
    • Accession Number:
      edsbas.96CE913