Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien

Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ist kein einfaches Thema. Welche Risiken bestehen bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien? Wie lassen sich Sicherheitsprobleme vermeiden?

Risiko im Zusammenhang mit der Verwendung eines Lithium-Ionen-Akkus

Bei steigenden Temperaturen gibt es unabhängig von der chemischen Zusammensetzung einen Schwellenwert, ab dem eine thermische Kettenreaktion ausgelöst wird. Diese Reaktion führt zu einer starken Gasentwicklung im Inneren der Zelle, das entweder über eine spezielle Entlüftungsöffnung oder durch die Explosion des Batteriegehäuses entweicht.

Um die Sicherheit zu gewährleisten und für alle Arten von Chemie muss ein thermisches Durchgehen verhindert werden. Ein elektronisches Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht die Batterie und trennt sie im Notfall von der Anwendung. Das BMS erfasst die Batterietemperatur und alle Ereignisse, die zu einer Erwärmung der Batterie führen (Überladung, Überstrom, Isolationsfehler ...). Es handelt sich um eine wichtige Komponente für eine sichere Batterie, die gemäß den aktuellen Normen für funktionale Sicherheit (z. B. ISO 61508, ISO 13849 und/oder ISO 26262) entwickelt werden muss. Darüber hinaus verhindern mechanische Schutzvorrichtungen, dass es während des normalen Gebrauchs zu einem internen Kurzschluss in der Batterie kommt (nicht durch das BMS geschützt).

Schließlich muss im Falle eines versehentlichen thermischen Durchgangs (Herstellungsfehler) die Konstruktion der Batterie überprüft werden, um zu verhindern, dass sich der thermische Durchgang auf die gesamte Batterie ausbreitet (Abstand zwischen den Zellen, Batterietrennung, Ausbreitungstest gemäß IEC62619).

Die folgenden Grafiken zeigen die Ergebnisse der thermischen Durchlauftests für 18650-Zellen mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen (NCA links und LFP rechts). Den vollständigen Artikel finden Sie unter folgender Adresse: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/ra/c5ra05897j.

Das thermische Durchgehen von LFP-Zellen wird später ausgelöst als bei NCA-Zellen, und die Geschwindigkeit des Durchgehens ist langsamer. Wenn es jedoch zu einem thermischen Durchgehen kommt, bleibt es mit einer erreichten Temperatur von 450 °C und einer möglichen Ausbreitung auf benachbarte Zellen, wenn diese aneinander haften, gefährlich.

Unter dem folgenden Link finden Sie ein Video einer thermischen Überhitzung einer LFP-Zelle: https://www.youtube.com/watch?v=p21iZVFHEZk. Es kommt nicht zu einem Brand, sondern zu einer starken Entlüftung, gefolgt von einer Explosion der Zelle (zwischen 2:00 und 2:25 Minuten im Video).

Unter der folgenden Adresse finden Sie das Video zur Ausbreitung der thermischen Instabilität von einer 18650-Zelle auf die andere (LCO-Chemie ist am reaktivsten): https://www.youtube.com/watch?v=24fYrV2vCPk.

Der folgende Absatz listet die verschiedenen Risiken auf, die bei der Konstruktion einer Lithium-Ionen-Batterie zu berücksichtigen sind, sowie die Schutzmaßnahmen, die ergriffen werden können.

Tiefentladung

Das Laden einer Batterie nach einer langen Lagerung bei sehr niedriger Spannung (unterhalb der Herstellerangaben) kann einen Brand der Batterie auslösen. Dies betrifft alle Technologien mit Graphit als negativer Elektrode (LFP, NCA, NMC…). Technologien mit einer LTO-Negativelektrode sind weniger anfällig für dieses Problem (siehe TechLetter WATTALPS-Präsentation zu negativen und positiven Elektroden).

Von WATTALPS empfohlenes Schutzmittel: Ein BMS mit Spannungsmessung jeder Zelle, Erkennung der Spannungsschwelle und einer Zustandsmaschine, die entwickelt wurde, um nach einer Tiefentladung jegliches Laden zu verhindern.

Überladung

Im Gegensatz zu Blei-Säure- oder NiMH-Batterien vertragen Lithium-Ionen-Batterien keine Überladung. Einzelne Zellen können mit einem Überladungsschutz bis zu 12 V ausgestattet sein, aber dieser Schutz ist für Batteriesysteme mit höherer Spannung nicht wirksam. Eine Überladung der Batterie löst daher eine thermische Instabilität des Systems aus.

Von WATTALPS empfohlene Schutzmaßnahmen: Das BMS muss die Spannung jeder einzelnen Zelle überwachen und jede Überspannung einer Zelle erkennen. Im Falle einer Überspannung muss das BMS die Batterie von der Anwendung trennen. Bei einigen Anwendungen ist es nicht sicher, die Stromversorgung ohne Vorwarnung zu unterbrechen. Dies muss bei der Entwicklung der Batterie berücksichtigt werden.

Überstrom beim Laden/Entladen

Während des Ladevorgangs führt Überstrom zu Lithiumablagerungen auf der negativen Elektrode (LTO-Technologien sind in dieser Hinsicht weniger empfindlich). Wiederholter Überstrom beim Laden führt daher zur Bildung von Lithiumdendriten, die schließlich den Separator durchdringen und die betroffenen Zellen kurzschließen, was zu einem thermischen Durchgehen führt.

Von WATTALPS empfohlene Schutzmaßnahmen: Das BMS muss den Batteriestrom, die Temperatur und den Ladezustand überwachen. Eine Zuordnung der Strombegrenzung in Abhängigkeit von diesen Variablen ermöglicht es, einen Betrieb außerhalb des vom Hersteller angegebenen Sicherheitsbereichs zu erkennen und die Batterie von der Anwendung zu trennen.

Übertemperatur

Oberhalb einer Schwellenwert-Temperatur (ca. 75 bis 100 °C) kommt es bei allen Arten von Lithium-Ionen-Technologie zu einer thermischen Kettenreaktion. Dies führt zu einer hohen Temperatur der Zelle, zum Austritt von brennbarem Gas unter Druck und kann zu einem Brand und/oder einer Explosion der Batterie führen.

Von WATTALPS empfohlene Schutzmaßnahmen: Das BMS muss die Batterietemperatur messen und erkennen, wenn der vom Hersteller angegebene Schwellenwert überschritten wird. Bei Überschreitung des Sicherheitsschwellenwerts muss die Batterie von der Anwendung getrennt werden.

Zellinterner Kurzschluss

Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen werden die Stromkollektoren aus Kupfer und Aluminium geschnitten. Bei diesem Schritt können Kupfer- und Aluminiumpartikel auf die Zellelektroden gelangen. Nach einer bestimmten Nutzungsdauer können diese Partikel den Separator durchdringen und einen Kurzschluss in der Zelle verursachen, was zu einer thermischen Instabilität der Zelle führt.

Von WATTALPS empfohlene Schutzmaßnahmen: Batteriekonstruktion mit der Möglichkeit, Entlüftungsgas aufgrund des thermischen Durchgehens einer einzelnen Zelle und des Abstands zwischen den Zellen abzuführen. Validierung durch einen Ausbreitungstest gemäß IEC62619, SAEJ2464 oder UL2271.

Externer Kurzschluss

Eine schlechte Batterieverbindung oder ein Unfall kann einen elektrischen Kontakt zwischen dem Plus- und dem Minuspol des Gleichstrombusses herstellen. Ein solcher Kurzschluss kann zu einem Brand in Verbindung mit einer starken Erwärmung der Batterie führen, was zu einem globalen thermischen Durchgehen der Batterie führt.

Schutz: Für einen Kurzschluss mit niedriger Impedanz muss eine Sicherung mit der richtigen Größe ausgewählt werden, und das BMS muss in der Lage sein, einen Überstrom aufgrund eines Kurzschlusses mit höherer Impedanz zu unterbrechen. Ein Test für externe Kurzschlüsse, wie von ADR (UN38.3) oder UN R100 v2 vorgeschlagen, validiert die Konfiguration.

Kurzschluss der internen Batterie

Die mit der Anwendung verbundenen Stöße und Vibrationen sowie ein Unfall können einen elektrischen Kontakt zwischen zwei leitfähigen Teilen im Inneren der Batterie herstellen, was zu einem internen Kurzschluss mit denselben Folgen wie oben beschrieben führt.

Von WATTALPS empfohlene Schutzmaßnahmen: Das Produkt muss so konstruiert sein, dass ein Kontakt zwischen leitfähigen Teilen und anderen Metallteilen verhindert wird. Stoß- und Vibrationstests für den Transport dienen der Validierung der Konstruktion. Beispielsweise sind Tests gemäß ADR (UN38.3) oder der Automobilvorschrift R100 v2 (Stöße, Vibrationen, mechanische Integrität) erforderlich.

Feuer

Ein externes Feuer kann die Batterietemperatur bis zur Schwelle des thermischen Durchgangs erhöhen.

Von WATTALPS empfohlene Schutzmaßnahmen: Batteriekonstruktion aus nicht brennbaren Materialien und Validierung durch einen Brandtest gemäß der Automobilvorschrift R100 Revision 2.

Stromschlag

Bei Batterien mit einer Spannung von mehr als 60 V besteht für jede Person, die mit unter Spannung stehenden leitenden Teilen in Berührung kommt, Lebensgefahr.

Von WATTALPS empfohlene Schutzmaßnahmen: Die Batterie muss so konstruiert sein, dass eine gute elektrische Isolierung gewährleistet ist, beispielsweise gemäß NF EN 61439-1. Die Konstruktion muss durch eine dielektrische Prüfung bei der doppelten Nennspannung + 1000 V und durch Messung des Isolationswiderstands gemäß der Automobilvorschrift UN R100 Revision 2 validiert werden. Das System kann mit einer Isolationsüberwachungsvorrichtung ausgestattet werden, um den Isolationswiderstand zwischen den Batteriepolen und dem Chassis permanent zu überwachen.

Wir können daraus schließen, dass es zwei Hauptfaktoren gibt, die zur Batteriesicherheit beitragen:

• Das Batteriemanagementsystem (BMS): Es muss gemäß den internationalen Normen für funktionale Sicherheit in der Elektronik (IEC61508, ISO13859, ISO26262…) entwickelt werden.
• Produktdesign und Qualifizierungstests: Das Batteriedesign muss besonders sorgfältig und robust sein. Diese Robustheit muss durch Qualifizierungstests überprüft werden.

Synthese