Batteriesicherheit: Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien als Auslegungsfrage von Zellen

Einleitung

Damit Li-Ionen-Batteriesysteme sicher eingesetzt werden können, bedarf es die Kenntnis des Gefahrenpotentials einer einzelnen Zelle. Das Gefahrenpotential von Li-Ionen-Zellen beruht auf der Funktionsweise und der Architektur der Zellen. Dabei ist die thermische Stabilität der Zellkomponenten elementar. Um die Sicherheit zu gewährleisten, bedarf es eines ganzheitlichen Ansatzes. Die Sicherheit von Li-Ionen Batterien ist eine frage der Auslegung von Zellen.

Was macht Lithium-Ionen Batterien gefährlich?

Vergleicht man die Energiedichte von Li-Ionen-Zellen mit gängigen Kraft- und Brennstoffen, sind die Energiedichten mit etwa 150Wh/kg gering.

Da das Gefahrenpotential der Batterie kann aber nicht nur über die Energiedichte bestimmt werden. Durch die Besonderheiten der Li-Ionen Zellen ergibt sich ein reelles Gefahrenpotential.

  • In Li-Ionen-Zellen werden stark oxidierende und reduzierende Materialien auf sehr engem Raum zusammengeführt
  • Aktivmaterialien stehen in unmittelbarem Kontakt mit einem flüchtigen, leicht entflammbaren Elektrolyten
  • Eine gehemmte Wärmeabgabe nach Außen erschwert die Regulierung der Zelltemperatur im Fehlerfall

Elektrischer und thermischer Energieinhalt

Eine Li-Ionen Batterie enthält ca. ein 10-faches ihrer elektrisch gespeicherten Energie in Form von thermischer Energie.

Auslegung von Li-Ionen Batterien

Die Sicherheit von Li-Ionen -Batterien ist auch immer eine Frage der Auslegung. Im Vordergrund stehen die:

1. Verminderung der Wahrscheinlichkeit eines Defekts

2. Begrenzung der Auswirkung eines Defekts

Wichtige Schutzeinrichtungen auf Zellebene

  • Selbstrückstellende Schutzeinrichtungen (PTC)
  • Berstscheibe/Überdruckventil (Safety Vent)
  • Einwegunterbrecher (CID)
  • Separatoren mit Abschaltfunktion (Shut Down Separator)
  • Thermo-und Schmelsicherungen (Thermal & Electrical Fuse)
  • Dioden
  • etc.

Zellversagen

Das komplette Versagen der Li-Ionen Zellen ist am Ende stets auf ein thermisches Problem zurückzuführen. Falls die Wärmeabgabe größer ist als die Wärmeerzeugung, und somit keine weitere Temperaturerhöhung erfolgt, kann ein sicherer Zellzustand erreicht werden.

Stufe 1: <155 °C – Beginn bei etwa 0,2 °C / min

  • SEI-Zersetzung
  • Elektrolydegradation
  • Schmelzen von Polymer-Separatoren

Stufe 2: 155 °C – 195 °C – Beschleunigung

  • Kathoden/Elektrolyreaktion
  • Anoden/Elektrolyreaktion
  • Verstärkung der Elektrolydegradation
  • Abblasen/Öffnen der Zelle

Stufe 3: > 195 °C – Durchgehen der Zelle bei etwa 10 °C / min

  • Zersetzung der Aktivmaterialien
  • Zersetzung/Verbrennung des Elektrolyts
  • Unkontrollierbare Temperaturerhöhrung

Das Versagen einer einzigen Li-Ionen Zelle kann zu einen kaskadenartigem Zellversagen innerhalb eines Moduls führen. Das fehlerhafte Modul wiederum kann zu kaskardenartigem Versagen innerhalb eines Packs führen. Die Zelleigenschaften und das Modul- und Packdesign sind ausschlaggebend für das Verhalten des Batteriepacks bei Zellversagen.

Messung des thermischen Verhaltens von Zellchemien

1. Adiabatische Reaktionskaliometrie (hohe Genauigkeit, hoher Messaufwand)

  • Es wird versucht, eine quasiadiabate Versuchsumgebung durch simultanes Nachheizen zu erzeugen
  • Die Messung von Einzelkomponenten und Vollzellen ist möglich.

2. Dynamische Differenzkaliometrie

  • Starre Temperaturrampe und Messung gegenüber einer Referenz
  • Messung von Einzelkomponenten (Separator, Aktivmaterial, etc.)

3. Temperaturrampe (niedrige Genauigkeit, niedriger Messaufwand)

  • Starre Temparaturrampe und einfache Detektion einer Temparaturerhöhung
  • Messung nur an Vollzellen

Typische Zellchemie und deren Thermisches Durchgehen

Es gibt einen Einfluss verschiedener Kathodenmaterialien auf die thermische Stabilität von Vollzellen. Bei LiFePO4 und LiMn2O4 handelt es sich um thermisch stabilere Zellchemien im Gegensatz zu bspw. LiCoO2. Aber: auch die Wahl einer vermeintlich „sicheren“ Zellchemie kann ein thermischen Durchgehen nicht vollständig ausschließen. Es ist wichtig, pauschalisierte Aussagen zur Zellsicherheit zu vermeiden. Neben den Material- und Zellparamter sind auch der Ladezustand und der Alterungszustand der Zelle relevant.

Fehlerarten

Unter Zellsicherheit kann man die Toleranz einer Zelle gegenüber eines Fehlers beschreiben. Es ist die Unterscheidung zwischen Missbrauch/Fehlgebrauch und technischem Defekt im Normalbetrieb notwendig.

Beim Missbrauch der Batterie ist die Ursache und Wirkung offensichtlich. Der Fehlbetrieb ist weitaus wahrscheinlicher als ein Defekt im Normalbetrieb. Ein technischer Defekt im Normalbetrieb ist sehr selten und schwierig zu erfassen.

Missbrauch/Fehlgebrauch:

  • Detektierbar
  • Bei allen Zellen gleichermaßen
  • Verhalten kann durch standardisierte Tests auf Zellebene bewertet werden
  • Zellversagen kann durch Schutzeinrichtungen abgeschwächt oder vermieden werden

Technischer Defekt im Normalbetrieb:

  • Nicht detektierbar und Eingreifen deshalb unmöglich
  • 1 in 5-10 Millionen Zellen
  • Zumeist durch schleichenden internen Einfluss getrieben
  • Aufgrund von mangelnden Testmöglichkeiten ist das Verhalten schwer auf Zellebene bewertbar
  • Zellversagen durch Schutzeinrichtungen meist nicht vermeidbar, da Fehlerquelle lokal und „unmerklich“

Tests von Li-Ionen -Zellen

• Shaker

• Schockmaschine

• Unterdruckkammer

• Temperaturschock

• Salznebel / Staub

•Bunkeranlagen, Gaswäsche

• Elektr. Missbrauchsprüfungen

• Kurzschluss

• Nageltest

• Quetschen

• Schocktest mit BEV-Systemen (Schlittenanlage)

• 10m Fallturm für dynamische Quetschtests

•etc.

EUCAR Hazard Levels and Descriptions

Warum gibt es bei der Absicherung von Li-Ionen Batterien Standards und Normen?

• Erhöhen die Sicherheit

• Ermöglichen Interoperabilität (Zusammenwirken von Systemen)

• Schutz der Umwelt

• Standards als Basis für Regulierung

• Freiwillig in der Anwendung

• Stellen den aktuellen Stand der Technik dar

• Sind konsensbasiert