Battery Simulator Web - Abuse & Multi-Physics Guide

🔥 Tab 3: Cell Abuse & TR

Investigates incipient thermal runaway under Hot Box oven soak and localized Internal Short Circuits (ISC).

• 4-Step Arrhenius Kinetics: SEI decomposition → Anode reduction → Cathode oxygen release → Electrolyte oxidation.
• Interactive 3D Cutaway: Inspect internal core hotspot formation and thermal propagation.
• Smart Early Termination: Automatically concludes after peak runaway observation, avoiding UI freeze.

♨️ Protocol A: Hot Box Oven Soak Test

Soaks the cell in an elevated temperature chamber to assess intrinsic thermal endurance under UN 38.3 / UL 1642 standards.

• Chamber Temperature: Default 150 °C (Configurable 100 °C – 200 °C).
• Convective Transfer (h): 15 W/(m²·K) oven convection.
• Thermal Balance: When SEI and anode side reactions exceed heat dissipation, self-heating accelerates past $T_2$ into Runaway.

⚡ Protocol B: Internal Short Circuit (ISC)

Recreates latent particle contamination, metal burrs, or lithium dendrite penetration across separator layers.

• Sub-Grid Micro Hotspot: High current density concentrated in 5%–15% volume fraction triggers thousands of °C locally while bulk remains cool.
• Joule Heating Scaling: $Q_{\text{isc}} = V^2 / R_{\text{eff}}$. Lower short resistance drives exponential surge in current.

📊 Key Safety Metrics (KPIs)

• Safety Outcome: SAFE (Self-healed / stabilized), VULNERABLE (Self-heating active), or RUNAWAY (Triggered $T_2$).
• T₁ (Self-Heat Onset): ~80 °C – 95 °C marking initial SEI decomposition.
• T₂ (TR Trigger): ~150 °C – 200 °C marking irreversible thermal runaway acceleration ($dT/dt \ge 1.0$ °C/s).
• Peak Core Temp: Maximum observed core temperature and peak rise rate.
• Total Heat Released: Cumulative Joulean and thermochemical energy release (kJ).

📈 Dual Waveform Analysis

• Tab 1: Transient T(t) & V(t): Simultaneous trace of Core, Surface, and Micro-Hotspot temperatures alongside terminal cell voltage.
• Tab 2: Heat Mechanisms (W): Decomposed power curves showing Joulean short heat ($Q_{\text{isc}}$), SEI ($Q_{\text{sei}}$), Anode ($Q_{\text{anode}}$), Cathode ($Q_{\text{cat}}$), and Electrolyte oxidation ($Q_{\text{elec}}$).

📐 Tab 2: Cell Geometry & Thermal

単セルの物理的寸法、熱容量、熱伝導率、および対流熱伝達条件を設定し、熱伝導方程式を解くための 3D FVM メッシュを構築します。

• 円筒幾何寸法: 外径（デフォルト 21 mm）、高さ（70 mm）、スチール缶肉厚（0.25 mm）を自由に微調整。
• 異方性熱伝導率: ジェリーロール（巻回体）特有の性質である「径方向熱伝導率（k_r = 1.0 W/m·K）」と「軸方向熱伝導率（k_z = 25.0 W/m·K）」を個別設定。
• 放熱境界条件: 外気温度（25℃）と表面熱伝達率 h（自然空冷 5〜10 W/m²·K）を指定。

🔥 Tab 3: Cell Abuse & TR

本スタジオの中核機能。外部過熱（Hot Box）または内部欠陥短絡（ISC）による 初期熱暴走（Incipient Thermal Runaway） をミリ秒単位でシミュレーションします。

• 4段階素反応モデル: SEI分解 → 負極還元 → 正極酸素放出 → 電解液酸化の過渡発熱を完全連成。
• 3D リアルタイム可視化: クォーターカット断面表示で、内部ホットスポットから円筒全域への熱拡散を観察。
• スマート早期終了: 暴走確定後（ピーク通過直後）で自動打ち切り、無駄な長時間フリーズを防止。

♨️ シナリオ A: Hot Box 試験（恒温槽過熱浸漬）

セルを一定の高温槽（オーブン）に投入し、外部加熱に対する熱的安定性と自発的熱暴走の有無を評価する国際規格試験です。

• 設定パラメータ:
  ・Oven Chamber Temp: オーブン槽内温度（デフォルト 150℃、100〜200℃可変）
  ・Heat Transfer (h): 槽内対流熱伝達率（15 W/m²·K）
  ・Holding Duration: 恒温保持時間（最大 60 min）
• 熱物理メカニズム:
  初期室温（25℃）のセルがオーブンからの対流熱伝達で昇温。約80〜90℃で SEI 被膜分解が始まり、自己発熱が外部放熱を上回ると、オーブン温度を超えて一気に $T_2$（180℃）を突破し熱暴走へ遷移します。
• 合否判定:
  オーブン温度以下で発熱が平衡に達すれば SAFE、自発的暴走へ突入すれば RUNAWAY と判定。

⚡ シナリオ B: 内部短絡試験（Internal Short Circuit: ISC）

金属異物、電極バリ、またはリチウムデンドライトの貫通により、セル内部の極板間で局所短絡が発生する最重要危険事象です。

• サブグリッド・マイクロホットスポット理論:
  短絡部位は微小体積（全体の 5〜15%）に電流が集中するため、セル全体の平均温度が常温（25℃）であっても、短絡点のみ瞬時に数百度〜千度に跳ね上がります。
• ジュール発熱則:
  $$Q_{\text{isc}} = \frac{V^2}{R_{\text{eff}}}$$
  短絡接触抵抗 $R_{\text{eff}}$ が小さいほど、爆発的な電流と局所発熱が生じます。

📈 動的抵抗モデル (Dynamic Model)

• Expanding (拡大伝播型):
  局所温度がセパレータ融点（145℃）を超えると、セパレータが溶融収縮して短絡面積が拡大。抵抗が指数関数的に低下（$R \to R \cdot e^{-0.05 \Delta T}$）し、発熱が加速して熱暴走確定へ。
• Fuse-like (自己溶断型):
  微小デンドライト等の場合、積算ジュール熱が溶断エネルギー（250 J）に達した瞬間に蒸発遮断（$R \to \infty$）。放電が止まり安全に自然冷却（SAFE）。
• Constant (固定抵抗型):
  抵抗変化を起こさず一定値で放電継続。

🎯 空間発生位置 (Location)

• Core Center (r = 0):
  巻回体中心部。放熱経路が最も長く熱が逃げにくいため、最も熱暴走リスクが高い。
• Mid-Radius:
  ジェリーロール中間層。標準的な欠陥位置。
• Outer Surface:
  外周表面。外気やケースへの放熱が効きやすく、暴走に至らず耐える場合がある。
• Top Tab Header:
  上部電極タブ近傍。電流集中による過熱。

⏱️ トリガー条件 (Trigger Method)

• Initial Defect (t = 0):
  出荷時・実験開始時からすでに短絡が存在しているワーストケース。
• Thermal (T ≥ T_melt):
  外部加熱などで温度がセパレータ融点（145℃）に達した瞬間に短絡が発生。
• Time Scheduled:
  指定時刻（例: 5秒後）に短絡を誘発。

📊 主要安全性指標 (KPI Cards)

• STATUS: 最終安全性結果判定。SAFE（放電終了またはヒューズ溶断で冷却）、VULNERABLE（自己発熱開始）、RUNAWAY（熱暴走発生）。
• T₁ (Self-Heat Onset): 自己発熱開始温度（約 70〜95℃）。SEI 被膜の分解開始温度を記録。
• T₂ (TR Trigger): 熱暴走臨界トリガー温度（約 150〜200℃）。昇温速度が 1.0 ℃/s を超え、不可逆的暴走に入った温度。
• Peak Core Temp: コア最高到達温度および最大昇温速度（℃/s）。
• Total Heat Released: 反応熱および短絡ジュール熱の総放出エネルギー（kJ）。

🎮 3D セル可視化 & 過渡ダイナミクスチャート

• 3D ビューア切替:
  ・Quarter Cutaway: 1/4 断面を切り開き、内部ホットスポットと伝熱層を透視。
  ・Metallic Casing: 実機同様のSUS缶外観を表示。
  ・Thermal X-Ray: 半透明化して内部コア温度分布をダイレクト表示。
• チャート 1: Transient T(t) & V(t):
  中心温度（T_core）、表面温度（T_surf）、短絡ホットスポット温度（T_hotspot）、および端子電圧（V）の過渡変化を同時プロット。
• チャート 2: Heat Mechanisms (W):
  発熱内訳（短絡熱 Q_isc、SEI分解 Q_sei、負極還元 Q_anode、正極分解 Q_cat、電解液燃焼 Q_elec）の寄与度を過渡分離。