Recently immersion cooling in cooling liquids has been researched for thermal management of lithium-ion batteries. Previous research has though mainly concerned the liquids cooling capability during battery cycling. Not many experiments are conducted including actual thermal runaway events. Therefore, have the events of thermal runaway of lithium-ion batteries during immersion cooling in hydrocarbon-based cooling fluids been studied during this project. The lithium-ion batteries used are cylindrical 3.7 V Samsung 50 E2 NMC 21700 with a capacity of 5 Ah. The hydrocarbon-based cooling fluids used are the naphthenic NYNAS® PHF 15, and the paraffinic NYNAS® RPHF 21. Both cooling fluids are contributed by Nynas AB.

Methods for initiation of thermal runaway are tested by heating of the battery and oil to a temperature of 160o C, overcharging up to 4 C, and needle penetration. The method of needle penetration is declared best fitted for thermal runaway initiation in hydrocarbon-based fluids.

The cooling fluids’ ability to prevent thermal runaway propagation are tested in battery modules of seven batteries, with 3 mm spacing between the batteries, while immersed in respective fluid. Reference test is done of module in air. No propagation occurs in either test. The cooling fluids exhibit a good capability to cool both the running battery and the surrounding batteries during the thermal runaway event compared to the test in air.

Hot Disc analyses are performed to determine thermal conductivity and specific heat capacity of the cooling fluids. The analyses for PHF give a thermal conductivity of 0.14 W/m·K and a specific heat capacity of 1.41 kJ/kg·K, the RPHF give a thermal conductivity of 0.22 W/m·K and a specific heat capacity of 1.14 kJ/kg·K. The measured values have a deviation to values received from Nynas AB of 20 % for PHF and 38-45 % for RPHF. This makes the analytical results implausible.

GC-MS is used to detect contaminations from the batteries in the cooling fluids after the experiments. No contaminations are found. Hydrocarbons and an additive are detected, an antioxidant, 2,6-di-tert-butyl-p-cresol.

Thermal conductivity, viscosity, specific heat, and circulation of the fluids are identified as important parameters for the cooling fluids. Proceeding experiments of thermal runaway during immersion cooling in enclosed modules is of interest.

Den senaste tiden har forskning utförts inom kylning av litium-jon batterier genom immersion i kylvätskor. Forskningen är mestadels koncentrerad till kylvätskornas förmåga att hålla nere batteri temperaturen under cykling av batterierna och innefattar inte experiment med termisk rusning i samma utsträckning. Därför är detta projekt inriktat på att undersöka termisk rusning hos litium-jon batterier nedsänkta i kolvätebaserade kylvätskor. Cylindriska 3,7 V Samsung 50 E2 NMC 21700 batterier med en kapacitet på 5 Ah används. Kylvätskorna som används för experimenten är den nafteniska NYNAS® PHF 15, och den parafiniska NYNAS® RPHF 21, båda erhållna av Nynas AB.

Metoder för initiering av termisk rusning testas genom upphettning av batteri och olja till 160o C, överladdning med upp till 4 C och nålpenetrering. Nålpenetrering identifieras som den mest lämpade metoden för initiering av termisk rusning när batterierna är nedsänkta i de kolvätebaserade vätskorna.

Kylvätskornas förmåga att hindra propagering av termisk rusning testas i batterimoduler om sju batterier, med 3 mm avstånd mellan batterierna, med batterierna nedsänkta i kylvätskorna. Som referens utförs även testet då batterierna enbart är kylda av luft. Inga av testen resulterar i propagering. Kylvätskorna visar på god förmåga att kyla både det rusande batteriet och batterierna runtomkring jämfört med testet i luft.

Analyser med Hot Disc utförs för att avgöra termisk konduktivitet och specifik värmekapacitet för kylvätskorna. Analyserna för PHF ger en termisk konduktivitet på 0,14 W/m·K och en specifik värmekapacitet på 1,41 kJ/kg·K. RPHF ger en termisk konduktivitet på 0,22 W/m·K och en specifik värmekapacitet på 1,14 kJ/kg·K. Värdena från analyserna skiljer sig från erhållna värden från Nynas AB med 20 % för PHF och 38-45 % för RPHF. Detta gör att analysvärdena är osannolika.

GC-MS används för att detektera föroreningar från batterierna i kylvätskorna efter experimenten. Inga föroreningar hittas. Kolväten och ett additiv detekteras, en antioxidant, 2,6-di-tert-butyl-p-cresol.

Termisk konduktivitet, viskositet, specifik värmekapacitet och cirkulering av vätskorna identifieras som viktiga parametrar för kylvätskorna. Intressanta fortsatta studier innefattar termisk rusning med stängda moduler där batterierna är nedsänkta i kylvätskorna.