Quelle:„Thermal Runaway Mechanism of Lithium Ion Battery for Electric Vehicles: A Review”(Mechanismus des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge: Eine Übersicht) X. Feng et al., Tsinghua-Universität – Peking
Interner Kurzschluss und thermisches Durchgehen
Wie im WATTALPS TechLetter zur Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterienerläutert, ist das thermische Durchgehen einer Batteriezelle ein Ereignis, das es zu vermeiden gilt, um die Sicherheit eines Batteriesystems zu gewährleisten. Thermisches Durchgehen ist ein Phänomen der Selbsterhitzung, das zu Bränden oder Explosionen führen kann. Wenn die Batterie eine bestimmte Temperaturschwelle erreicht, kommt es zu parasitären exothermen Reaktionen, die die Batterie noch weiter erhitzen. Die Reaktion wird instabil und kann unter bestimmten Umständen zu einem Batteriebrand oder einer Explosion führen.
Quelle:„Thermal Runaway Mechanism of Lithium Ion Battery for Electric Vehicles: A Review”(Mechanismus des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge: Eine Übersicht) X. Feng et al., Tsinghua-Universität – Peking
Das elektronische Batteriemanagementsystem gewährleistet einen aktiven Schutz vor thermischem Durchgehen, indem es die Zelle in einem sicheren Betriebsbereich hält („elektrischer Missbrauch“ / „thermischer Missbrauch“ in der Abbildung oben). Zusätzliche Schutzmaßnahmen im Batteriedesign und bei der Integration in das Fahrzeug begrenzen die Wahrscheinlichkeit eines internen Kurzschlusses im Zusammenhang mit einem Unfall (Zerdrücken der Batterie oder Eindringen leitfähiger Teile in das Batteriegehäuse) erheblich. Diese Schutzmaßnahmen können während Qualifizierungstests (ECE R100 V2, SAEJ2464, IEC62619…) validiert werden.
Dennoch lässt sich ein interner Kurzschluss der Zelle aufgrund eines Metallteils im Inneren der Zelle (Fehler im Herstellungsprozess der Lithium-Ionen-Zelle) nicht verhindern.
Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines internen Kurzschlusses aufgrund des Zellherstellungsprozesses
Laut Literatur beträgt die Wahrscheinlichkeit eines internen Kurzschlusses bei einer 18650-Zelle 0,1 ppm (Quelle: „Thermal Runaway Mechanism of Lithium Ion Battery for Electric Vehicles: A Review” X. Feng, et al Tsinghua University – Beijing). Dieses Ereignis tritt daher häufiger bei großen Batterien und bei Produkten auf, die in großen Stückzahlen hergestellt werden. Beispielsweise wird geschätzt, dass eine von 10.000 Tesla-Batterien einen internen Kurzschluss aufgrund eines Fehlers im Herstellungsprozess erleidet.
Ausbreitung thermischer Instabilität
Es ist daher wichtig, das Verhalten einer Lithium-Ionen-Zelle während eines thermischen Durchgangs zu verstehen und geeignete Maßnahmen zur Risikominderung zu ergreifen. Tatsächlich kann die während des thermischen Durchgehens einer Lithium-Ionen-Zelle entstehende Wärme ausreichen, um ein thermisches Durchgehen benachbarter Zellen auszulösen und so eine Kettenreaktion zu erzeugen, die im schlimmsten Fall zu einer Explosion führen kann. Aus diesem Grund schreiben immer mehr Branchen vor, dass Batterien auf die Ausbreitung von thermischem Durchgehen getestet werden müssen (DNV-GL für Schiffsanwendungen, SAE für Elektrofahrzeuge, IEC 62619 für stationäre und industrielle Batterien…).
Sie finden unter dem folgenden Link ein Video über die thermische Ausbreitung einer kleinen Batterie aus fünf 18650-Zellen (LCO-Chemie ist die reaktivste).
Zwei verschiedene Strategien
Um eine thermische Instabilität zu verhindern, werden zwei verschiedene Strategien eingesetzt:
- Verwenden Sie Lithium-Ionen-Zellen, die bei einem internen Kurzschluss kein Risiko darstellen. Diese Strategie schränkt die Verwendung von Lithium-Ionen-Zellen stark ein. Tatsächlich geben Zellen mit hoher Energiedichte während des thermischen Durchgehens mehr Energie ab. Einige LFP-Zellen (Eisenphosphat) ermöglichen diese Art von Design, aber ihre Energiedichte ist stark reduziert: 260 Wh/L für die besten LFP-Zellen gegenüber 700 Wh/L für die besten Lithium-Ionen-Zellen.
Batteriemodule und -pakete, die aus LFP-Zellen hergestellt werden, bieten Energiedichten von 90 bis 166 Wh/l (ohne Heiz-/Kühlsystem).
- Entwicklung eines Schutzsystems, das es ermöglicht, thermisches Durchgehen von Zellen zu kontrollieren und eine Ausbreitung von Zelle zu Zelle zu verhindern. Diese Strategie ermöglicht die Verwendung einer breiten Palette von Lithium-Ionen-Zellen, erfordert jedoch einen wesentlich höheren Aufwand bei der Konstruktion und Validierung. Die Konstruktion muss nicht nur das Entlüftungsgas aus dem thermischen Durchgehen sicher ableiten, sondern auch passive Wärmeableitungssysteme integrieren, um zu verhindern, dass benachbarte Zellen ihre Temperaturgrenze erreichen und ein thermisches Durchgehen auslösen. WATTALPS-Module haben die Nicht-Ausbreitungstests gemäß IEC 62619 mit NCA-Lithium-Ionen-Zellen mit einer Energiedichte von mehr als 700 Wh/l bestanden.
Die sicheren Module und Akkupacks von WATTALPS bieten Energiedichten von 220 bis 300 Wh/l und verfügen über ein Kühlmittelkreislaufsystem, mit dem sich der Akku leicht kühlen oder erwärmen lässt.
Hinweis: Wenn Sie mit den Begriffen LFP oder NCA nicht vertraut sind, lesen Sie bitte unsere TechLetters zum Thema positive und negativen Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien sowie über die elektrischen Energiespeicher.
