Impact of contact combustion of lithium‑ion batteries on the microstructure of cement mortar

openaccess, Vol. 637 (9) 2025 / piątek, 19 września, 2025

Wpływ kontaktowego spalania akumulatorów litowo‑jonowych na mikrostrukturę zaprawy cementowej

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2025.09.14

citation/cytuj: Sobótka M., Bodak B., Pachnicz M., Papurello D. Impact of contact combustion of lithium‑ion batteries on the microstructure of cement mortar. Materiały Budowlane. 2025. Volume 637. Issue 09. Pages 108-114. DOI: 10.15199/33.2025.09.14

This study presents preliminary results concerning the potential effects of fires involving battery‑powered electric vehicles on concrete. In particular, the microstructural properties of standard mortar exposed to contact combustion of Li‑ion cells were assessed. Microstructural analyses were performed on a control sample not subjected to thermal exposure, as well as on samples exposed to one, two, and three cycles of Li‑ion battery contact combustion. A significant effect of battery combustion on the degradation of cement mortar microstructure was observed. This was manifested primarily by the development of a microcrack network and the penetration of elements originating from the battery – carbon and metallic inclusions of Ni, Co, and Mn, which are initially components of the electrodes – into the mortar microstructure. The presented study is intended to serve as an incentive for further research in this area.

W artykule przedstawiono wyniki wstępnych badań dotyczących wpływu potencjalnego wpływu pożaru, zasilanych bateryjnie pojazdów elektrycznych, na beton. Oceniono przede wszystkim mikrostrukturę zaprawy normowej poddanej oddziaływaniu kontaktowego spalania akumulatora Li‑ion. Badaniom mikrostrukturalnym poddano próbkę kontrolną oraz próbki po 1, 2 i 3 cyklach spalania. Wykazano wyraźny wpływ kontaktowego spalania akumulatorów na degradację mikrostruktury zaprawy cementowej. Uwidacznia się on przede wszystkim jako rozwój sieci mikrospękań, a także wnikanie w mikrostrukturę zaprawy pierwiastków pochodzących z baterii, tj. węgla oraz wtrąceń metalicznych Ni, Co, Mn, będących pierwotnie składnikami elektrod. Zaprezentowane w pracy badania mają stanowić zachętę do dalszych prac badawczych w tym obszarze.
microstructure; composite; Li‑ion battery; concrete; fire

mikrostruktura; kompozyt; akumulator Li‑ion; beton; pożar
  1. Bjørge NM, Hjelkrem OA, Babri S. Characterisation of Norwegian Battery Electric Vehicle Owners by Level of Adoption. World Electr Veh J. 2022; https://doi.org/10.3390/WEVJ13080150.
  2. Figenbaum E, Assum T, Kolbenstvedt M. Electromobility in Norway: Experiences and Opportunities. Res Transp Econ. 2015; https://doi.org/10.1016/J. RETREC.2015.06.004.
  3. Zhang Z, Dong H, Wang L, Wang Y, He X. Tracing Root Causes of Electric Vehicle Fires. Energy Technol. 2024; https://doi.org/10.1002/ ENTE.202400931.
  4. Sturm P et al. Fire tests with lithium‑ion battery electric vehicles in road tunnels. Fire Saf J. 2022; https://doi.org/10.1016/J.FIRESAF.2022.103695.
  5. Yan ZG, Zhu HH, Woody Ju J, Ding WQ. Full‑scale fire tests of RC metro shield TBM tunnel linings. Constr Build Mater. 2012; https://doi.org/10.1016/J. CONBUILDMAT.2012.06.006.
  6. Park S, Oh H, Shin Y, Oh S. A case study on the fire damage of the underground box structures and its repair works. Tunn Undergr Space Technol. 2006; https://doi.org/10.1016/J.TUST.2005.12.042.
  7. Savov K, Lackner R, Mang HA. Stability assessment of shallow tunnels subjected to fire load. Fire Saf J. 2005; https://doi.org/10.1016/j.firesaf. 2005.07.004.
  8. Li Q, Gao X, Xu S, Peng Y, Fu Y. Microstructure and mechanical properties of high‑toughness fiber‑reinforced cementitious composites after exposure to elevated temperatures. J Mater Civ Eng. 2016; https://doi.org/10.1061/ (ASCE) MT.1943‑5533.0001647.
  9.  Georgali B, Tsakiridis PE. Microstructure of fire‑damaged concrete. A case study. Cem Concr Compos. 2005; https://doi.org/10.1016/J.CEMCONCOMP. 2004.02.022.
  10. Healy J, Atefi‑Monfared K. Fire‑induced damage in tunnels: Thermo‑mechanical modeling incorporating support system and geological conditions. Tunn Undergr Space Technol. 2023; https://doi.org/10.1016/j.tust.2023.105027.
  11. Hunt IA, Patel Y, Szczygielski M, Kabacik L, Offer GJ, Lithium sulfur battery nail penetration test under load. J Energy Storage. 2015; https://doi. org/10.1016/J.EST.2015.05.007.
  12.  Feldkamp LA, Davis LC, Kress JW. Practical cone‑beam algorithm, JOSA A, 1984; https://doi.org/10.1364/JOSAA.1.000612.
  13.  Rajczakowska M, Stefaniuk D, Łydżba D. Microstructure Characterization by Means of X‑ray Micro‑CT and Nanoindentation Measurements. Stud Geotech Mech. 2015; https://doi.org/10.1515/SGEM‑2015‑0009.
dr inż. Maciej Sobótka, Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego
ORCID: 0000‑0001‑5166‑5060
mgr inż. Bartłomiej Bodak, Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego
ORCID: 0009‑0003‑0162‑9492
mgr inż. Michał Pachnicz, Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego
ORCID: 0000‑0002‑7274‑0580
Davide Papurello, Ph.D., Politecnico di Torino, Energy Center of Turin
ORCID: 0000‑0003‑1455‑0964

dr inż. Maciej Sobótka, Politechnika Wrocławska, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego ORCID: 0000‑0001‑5166‑5060

Correspondence address: maciej.sobotka@pwr.edu.pl

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2025.09.14

Article in PDF file

Received: 31.03.2025 / Artykuł wpłynął do redakcji: 31.03.2025 r.
Revised: 03.06.2025 / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 03.06.2025 r.
Published: 19.09.2025 / Opublikowano: 19.09.2025 r.