Experimental and Kinetics Study of Dimethyl Carbonate pyrolysis and oxidation for Safer Lithium-Ion Battery Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis -YASSER S OMER.pdf Restricted to Repository staff only until 13 May 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

يمثل التقييم الدقيق لمخاطر الحريق المرتبطة ببطاريات الليثيوم أيون (LiBs) تحديًا متزايد الأهمية في ظل النمو السريع للأجهزة المعتمدة على هذه البطاريات، إلى جانب التوسع في أنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق. وتحتوي الإلكتروليتات المستخدمة في بطاريات الليثيوم-أيون غالبًا على مخاليط من إسترات الكربونات القابلة للاشتعال، مثل كربونات ثنائي الميثيل .(DMC) و خلال ظاهرة الانفلات الحراري، تتعرض هذه الإلكتروليتات لتحلل سريع وأكسدة عند درجات حرارة مرتفعة؛ ومن ثم فإن فهم حركية تفاعلاتها يعد أمرًا أساسيًا لتحسين النماذج التنبؤية الخاصة بسلامة الحريق. في هذه الدراسة، تم بحث التحلل الحراري والأكسدة لكربونات ثنائي الميثيل باستخدام تجارب أنبوب الصدمة المقترنة بمطيافية امتصاص الليزر. وقد جرى قياس التطور الزمني لتركيزي أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO2) عند ضغط قريب من الضغط الجوي، وفي مدى حراري يتراوح بين 1200 و1800 كلفن، وعبر نسب تكافؤ تمتد من الخلطات فائقة الفقر بالوقود φ0.25إلى الخلطات فائقة الغنى بالوقود φ3.0. ثم قورنت القياسات التجريبية المتحصل عليها بتنبؤات عدة آليات حركية حديثة، حيث أظهرت المقارنة وجود تباينات بين النتائج المحسوبة والبيانات التجريبية. ومن بين الآليات التي تم تقييمها، أظهرت آليتا Gregoire و Yu أفضل توافق مع منحنيات CO و CO2 ، على الترتيب. كما أبرز التقييم الإحصائي وجود سلوك تنبؤي تكاملي بين هاتين الآليتين. ومن أجل تفسير هذا السلوك، أُجريت تحليلات الحساسية ومسارات التفاعل، مما أتاح تحديد التفاعلات الرئيسة في كل آلية، وكشف عن اختلافات ملحوظة في مسارات أكسدة كربونات ثنائي الميثيل بينهما. وعلى حد علم المؤلفين، تقدم هذه الدراسة أول قياسات منشورة للتاريخ الزمني لثاني أكسيد الكربون أثناء تفاعلات كربونات ثنائي الميثيل عند درجات الحرارة المرتفعة. وتمثل البيانات التجريبية المقدمة في هذه الرسالة أساسًا مهمًا لتحسين الآليات الحركية الخاصة بإلكتروليتات بطاريات الليثيوم أيون، وهو ما يسهم في تطوير نماذج أكثر دقة لسلامة الحريق في سيناريوهات الانفلات الحراري للبطاريات

English Abstract

Accurate fire-risk assessment of lithium-ion batteries (LiBs) is an increasingly urgent challenge due to the rapid growth of LiB-powered devices and large-scale energy storage systems. The electrolytes used in LiBs commonly consist of mixtures of flammable carbonate esters such as dimethyl carbonate (DMC). During thermal runaway, these electrolytes undergo rapid high-temperature decomposition and oxidation; understanding their reaction kinetics is therefore essential for improving predictive fire-safety models. In this study, DMC pyrolysis and oxidation were investigated using shock-tube experiments coupled with laser absorption spectroscopy. Time histories of CO and CO2 were measured at near-atmospheric pressure, a temperature range of 1200–1800 K, and over equivalence ratios from ultra-lean (φ = 0.25) to ultra-rich (φ = 3.0). The measurements obtained were then compared with predictions of several modern kinetic mechanisms, revealing discrepancies between the predictions and the experimental data. Among the mechanisms evaluated, the Gregoire et al. and Yu et al. mechanisms exhibited the closest agreement with CO and CO2 profiles, respectively. A statistical assessment highlighted a complementary predictive behavior between these two mechanisms. To investigate this behavior, sensitivity and pathway analyses were performed, identifying key reactions in each mechanism and revealing notable discrepancies in their respective DMC oxidation pathways. To the best of the authors’ knowledge, this study reports the first measured CO2 time histories during DMC high-temperature reactions. The experimental data reported herein provide a valuable foundation for refining kinetic mechanisms of LiB electrolytes, which is essential for improving fire-safety modeling of battery thermal runaway scenarios.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Obaidallah Munteshari,
Thesis Committee Members:	Sulaiman Alturaifi, Awad Alquaity,
Depositing User:	YASSER OMER (g202404320)
Date Deposited:	13 May 2026 08:17
Last Modified:	13 May 2026 08:17
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144266