Das thermische Durchgehen ist ein kritisches Problem in der Batterietechnologie, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien, die in verschiedenen Anwendungen von Unterhaltungselektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind. Das Verständnis der Risiken im Zusammenhang mit dem thermischen Durchgehen ist für die Gewährleistung der Sicherheit und die Minderung potenzieller Gefahren unerlässlich. Deshalb werden wir das Risiko des thermischen Durchgehens in Batterien genauer unter die Lupe nehmen.
Was ist das thermische Durchgehen von Lithiumbatterien?
Definition und Kettenreaktionsprozess
Das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien ist ein komplexes Kettenreaktionsphänomen mit potenziell katastrophalen Folgen. Das thermische Durchgehen von Lithium beginnt oft mit dem Zerfall der festen Elektrolyt-Grenzflächenmembran (SEI) innerhalb der negativen Elektrode der Batteriezelle. Dieser Zerfall kann durch Faktoren wie Überladung, physische Beschädigung oder Herstellungsfehler ausgelöst werden.
Anfängliche Zerfallsphase
Sobald die SEI-Membran zerfällt, beginnt der Separator in der Batteriezelle sich zu zersetzen und zu schmelzen. Dieser Zerfall beeinträchtigt die strukturelle Integrität der Zelle und erleichtert die Ausbreitung von Reaktionen zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten. Wenn die negative Elektrode mit dem Elektrolyten interagiert, löst sie weitere Zersetzungsreaktionen aus, die zur Freisetzung von Wärme und Gasen führen.
Eskalation und Ausbreitung
Dieser Prozess kann sich schnell verschärfen und auf die positive Elektrode ausbreiten, wodurch das Phänomen des thermischen Durchgehens verstärkt wird. Die weit verbreitete Zersetzung und der Zerfall innerhalb der Batteriezelle können zu internen Kurzschlüssen führen, die lokale Erwärmung verursachen und die Kettenreaktion weiter beschleunigen. Schließlich entzündet sich der Elektrolyt, was zu intensiver Verbrennung und der Emission von Wärme und schädlichen Gasen führt.
Perspektive der Energiefreisetzung
Menschen stellen sich Lithiumbatterien als geschlossene Energiekugeln vor. Diese kleinen Batterien existieren als Reduktionsmittel und Oxidationsmittel, die es ihnen ermöglichen, entweder langsames Laden und Entladen oder heftige Verbrennung zu durchlaufen.
Das thermische Durchgehen einer Lithium-Ionen-Batterie bezeichnet eine Kettenreaktion, die durch verschiedene Faktoren ausgelöst wird und Wärme erzeugt, die die Temperatur des thermischen Durchgehens der Lithium-Ionen-Batterie auf über tausend Grad Celsius erhöht, die Lithiumbatterie heftig entzündet und in kurzer Zeit eine erhebliche Menge an Wärme und schädlichen Gasen freisetzt.
Größenordnung der Energiefreisetzung
Wenn Lithium-Ionen-Batterien ein thermisches Durchgehen erfahren, ist die vom gesamten Batteriepaket freigesetzte Energie daher atemberaubend. Ein Batteriepaket bestehend aus 100 Zellen mit einer Ladekapazität von 100 Ah hat eine Durchgehungsenergie von 240,000,000 J, was etwa 57 kg TNT entspricht. Obwohl Wissenschaftler und Ingenieure das Design kontinuierlich verbessern, den Algorithmus verfeinern und die Sicherheit von Automobil-Lithium-Ionen-Batteriepaketen effektiv erhöhen, hören wir im wirklichen Leben von Zeit zu Zeit von einigen Elektroautos oder Handys, die in Flammen aufgehen.
Was verursacht das thermische Durchgehen in Batterien?
- Überladung: Die Batterie selbst verfügt über einen Überladeschutz, aber wenn dieser Überladeschutz versagt und die Batterie weiter lädt, führt dies zu einer Überladung, die ein thermisches Durchgehen auslöst. Mit zunehmender Nutzung der Batterie verstärkt sich die Alterung, und die Konsistenz des Batteriepakets verschlechtert sich. Zu diesem Zeitpunkt ist die Batterie bei Überladung sehr anfällig für thermische Sicherheitsprobleme. Daher ist es unerlässlich, stets die Anweisungen zum sicheren Laden zu befolgen.
- Überhitzung: Wenn die Batterie einer schnellen Entladung ausgesetzt ist oder extremen Bedingungen begegnet, steigt die Innentemperatur der Batterie allmählich an. Wenn sich eine erhebliche Wärmemenge in der Batterie ansammelt und es nicht gelingt, den Entladestrom rechtzeitig zu begrenzen, kann dies zu einem thermischen Durchgehen der Lithiumbatterie führen.
- Mechanische Ursachen: Stöße, interne Kurzschlüsse und andere Aktionen, die das Batteriepaket beschädigen, können ein thermisches Durchgehen verursachen.
Der Prozess des Auftretens des thermischen Durchgehens von Lithiumbatterien
Überblick über die Stadien des thermischen Durchgehens
Das thermische Durchgehen wird in drei Stadien unterteilt: das Selbsterwärmungsstadium (50°C-140°C), das Durchgehstadium (140°C-850°C) und das Endstadium (850°C-Raumtemperatur). Einige Literaturangaben deuten darauf hin, dass die massive Schmelztemperatur des Separators bei etwa 140°C beginnt.
Selbsterwärmungsstadium (50°C-140°C)
Das Selbsterwärmungsstadium, auch als Wärmeakkumulationsstadium bekannt, beginnt mit der Auflösung der SEI-Membran. Die Auflösung der SEI-Membran wird bei Erreichen einer Temperatur von etwa 90°C deutlich. Die Auflösung der SEI-Membran legt die negative Elektrode und die lithiuminterkalierten Kohlenstoffkomponenten innerhalb der negativen Elektrode gegenüber dem Elektrolyten frei und löst eine exotherme Reaktion aus, die die Temperatur erhöht. Der Temperaturanstieg beschleunigt wiederum die weitere Zersetzung der SEI-Membran. Wenn kein externer Kühlmechanismus vorhanden ist, wird dieser Prozess fortgesetzt, bis die SEI-Membran vollständig zersetzt ist.
Durchgehstadium (140°C-850°C)
Während des Durchgehstadiums lösen Temperaturen über 140°C elektrochemische Reaktionen in den Elektrodenmaterialien aus. Die erhöhte Masse der Reaktanten beschleunigt den Temperaturanstieg. Beobachtbare Veränderungen umfassen einen starken Spannungsabfall. Der Separator beginnt in diesem Temperaturbereich massiv zu schmelzen. Dies führt zu direktem Elektrodenkontakt, was weit verbreitete Kurzschlüsse verursacht.
Intensive Reaktionsphase
Innerhalb kurzer Zeit erzeugen intensive Reaktionen große Mengen an Gas und Wärme. Die Wärme erhitzt das Gas weiter, das sich ausdehnt und das Batteriezellengehäuse zum Bersten bringt, was Phänomene wie Materialauswurf zur Folge hat. Das Durchgehen erreicht seinen intensivsten Zustand, wobei die höchste Temperatur in diesem Stadium erreicht wird.
Thermische Ausbreitung
Wenn sich andere Batteriezellen in der Nähe befinden, kann sich das thermische Durchgehen auf sie ausbreiten, indem Wärme an die Umgebung übertragen wird. Wärme kann sich auf leitende Teile oder durch Volumenausdehnung ausbreiten. Ursprünglich beabstandete Batteriezellen können nun in direktem Kontakt stehen, was den Wärmetransfer zwischen den Zellgehäusen erleichtert.
Endstadium (850°C-Raumtemperatur)
Im Endstadium kann das thermische Durchgehen, sobald es aufgetreten ist, nur beendet werden, wenn alle Reaktanten verbraucht sind. Ein Bericht der Feuerwehr weist darauf hin, dass bei geschlossenen Geräten, die hochenergetische Substanzen wie Lithiumbatterien enthalten, Löschmethoden ein laufendes thermisches Durchgehen nicht sofort stoppen können.
Löschmittel können die reagierenden Substanzen nicht effektiv erreichen. Feuerwehrleute sind in solchen Situationen hohen Risiken ausgesetzt, mit nur begrenzten verfügbaren Maßnahmen. Im Allgemeinen besteht der Ansatz darin, die Unfallstelle zu isolieren. Das thermische Durchgehen kann nur auf natürliche Weise enden, sobald die Reaktanten verbraucht sind.
Wie kann man das thermische Durchgehen von Li-Ionen-Batterien verhindern?
Wie wir oben sehen können, liegt der Schwerpunkt beim thermischen Durchgehen auf Prävention und Überwachung. Sobald ein thermisches Durchgehen auftritt, kann wenig getan werden, um es zu stoppen, ähnlich wie beim Versuch, eine Handgranatenexplosion zu löschen.
Prävention
1. Der Schlüssel zum thermischen Durchgehen liegt in der Stabilität der positiven und negativen Elektrodenmaterialien und des Elektrolyten. In Zukunft sind höhere Durchbrüche in mehreren Schlüsselbereichen erforderlich. Dazu gehören die Beschichtung und Modifizierung von Kathodenmaterialien. Die Kompatibilität des homogenen Elektrolyten mit den Elektroden muss verbessert werden. Die thermische Leitfähigkeit des Zellkerns muss ebenfalls erhöht werden. Oder die Wahl eines Elektrolyten mit hoher Sicherheit, um eine flammhemmende Wirkung zu erzielen.
2. Implementierung von System-Upgrades und -Verbesserungen aus externer Perspektive.
- PTC-Bauelemente (Positive Temperature Coefficient) : Die Installation von PTC-Bauelementen in Lithium-Ionen-Batterien berücksichtigt sowohl den Innendruck als auch die Temperatur. Wenn die Batterietemperatur aufgrund von Überladung ansteigt, erhöht sich der Innenwiderstand der Batterie schnell, um den Strom zu begrenzen, wodurch die Spannung zwischen der positiven und negativen Elektrode auf ein sicheres Niveau gesenkt wird, was einen automatischen Schutz der Batterie erreicht.
- Berstscheiben / Explosionsschutzventile : Wenn die Batterie einen abnormalen Innendruck aufweist, verformt sich das Explosionsschutzventil und unterbricht den internen Verbindungsdraht in der Batterie, wodurch der Ladevorgang gestoppt wird.
- Verbesserte Kühlmethoden: Das thermische Managementsystem ist entscheidend für die Temperaturkontrolle und stellt sicher, dass die Batterie bei einer angemessenen Temperatur arbeitet. Typischerweise steuert das Fahrzeugsteuergerät das thermische Managementsystem. Wenn die Temperaturen des Batteriepakets abnormal werden, sorgt die Klimaanlage für rechtzeitige Kühlung oder Heizung, um die Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie zu gewährleisten.
- Aerogel -Batterie-Isolierpolster: Hersteller montieren Aerogel-Wärmepolster zwischen den Leistungsbatteriezellen und -modulen. Wenn in einer Batteriezelle ein thermisches Durchgehen auftritt, bietet die geringe Wärmeleitfähigkeit des Aerogels eine Wärmeisolierung, die den Unfall verzögert oder blockiert. Wenn eine Batteriezelle überhitzt und brennt, erreichen die Aerogel-Wärmepolster eine nicht brennbare Leistung der Klasse A, um die Brandausbreitung effektiv zu blockieren oder zu verlangsamen. Dieses Design stellt sicher, dass das Batteriepaket innerhalb von 5 Minuten weder brennt noch explodiert, was ausreichend Zeit zur Flucht bietet.
Dank ihrer thermischen Stabilität behalten CMB-Batterien selbst bei Temperaturen bis zu 1°C eine 85C-Entladerate bei, dank innovativem Design und Hochtemperatur-Elektrolyten, die Langlebigkeit und Leistung gewährleisten. CMB bietet professionelle Hochtemperatur-Batterielösungen für medizinische Geräte, Ölexploration und IoT und reduziert die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens auf 0.01 %.
Überwachung
1. Früh- und Mittelphasenüberwachung
- Echtzeit-Frühwarnungstechnologie für thermisches Durchgehen, überwacht durch BMS
Derzeit ist die am einfachsten zu realisierende Lösung die Verwendung eines BMS zur Überwachung von Temperatur, Spannung und anderen Betriebsparametern, um frühe Anzeichen eines thermischen Durchgehens zu erkennen. Um die Fehlererkennungsfähigkeiten zu verbessern, können Ingenieure Temperatur- und Spannungssensoren mit höherer Präzision und Zuverlässigkeit verwenden oder entwickeln. Gleichzeitig können Entwickler genauere und effektivere Zustandsparameter-Schätzmodelle durch Algorithmen erstellen, um Fehlanwendungen und Anomalien früher zu erkennen. Künstliche Intelligenz kann in diesem Prozess eine gewisse Rolle spielen. Es gibt jedoch auch Probleme mit BMS-Lösungen: Die Überwachung externer Parameter kann keine vollständige und genaue Simulation liefern und kann interne elektrochemische Veränderungen nicht genau abbilden, wodurch moderne BMS nicht in der Lage sind, das potenzielle Risiko eines thermischen Durchgehens von Batteriezellen umfassend zu bewerten.
- Frühwarnungstechnologie für thermisches Durchgehen basierend auf der Vorhersage des internen Zustands
Die externe Kontrolle ist schwer vollständig zu erreichen. Daher beginnen Forscher von innen. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Echtzeiterkennung der inneren Temperatur und Impedanz der Batterie. Methoden umfassen eingebettete faltbare Bragg-Faseroptiksensoren oder Frequenzgangsanalyse mit elektrochemischen Impedanzanalysatoren. Diese Ansätze bleiben aufgrund von Kosten- und technischen Einschränkungen im Laborstadium.
- Frühwarnungstechnologie für thermisches Durchgehen basierend auf Gasdetektion
Frühstadium des thermischen Durchgehens einer Lithium-Ionen-Batterie ändern sich die charakteristischen Identifizierungsparameter sehr langsam. Diese Parameter umfassen Batterietemperatur, Entladespannung und Entladestrom. Ein normales BMS kann Batteriefehler aufgrund dieser allmählichen Änderungen nicht frühzeitig erkennen. Zu diesem Zeitpunkt wird aufgrund der internen elektrochemischen Reaktionen der Batterie eine große Menge Gas produziert. Daher ist die Verwendung von Gasdetektionssensoren zur Realisierung einer Frühwarnung für das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien machbar. Derzeit haben einige Unternehmen relevante Produkte entwickelt, die Gasdetektion mit Brandschutz kombinieren.
2. Spätphasenüberwachung
Der Batteriezellenseparator beginnt massiv zu schmelzen, was zu weit verbreiteten internen Kurzschlüssen in der Batterie führt. Ein Spannungsabfall tritt dann aufgrund der massiven Kurzschlüsse zwischen der positiven und negativen Elektrode auf. Zu diesem Zeitpunkt ist das thermische Durchgehen völlig unkontrollierbar.
Ein erfassbarer elektrischer Parameter, die Batteriezellen-Klemmenspannung, tritt während dieses Prozesses auf. Aktuelle BMS-Systeme können nur die Spannungsdaten jedes Reihenmoduls (jedes Modul enthält mehrere parallel geschaltete Zellen) genau erfassen. Dieses Phänomen ermöglicht es dem Managementsystem, einen Fehler in der Batteriezelle zu erkennen.
Wenn der Spannungsabfall jedoch erkannt wird, ist es bereits ein irreversibler Moment des thermischen Durchgehens. Das Auslösesignal für Kühlmaßnahmen verliert seine Bedeutung.
Was wir tun können, ist, Strategien zur Verzögerung der Ausbreitung des thermischen Durchgehens während des Produktentwurfs und -implementierungsprozesses in Betracht zu ziehen. In der Realität tritt das thermische Durchgehen extrem schnell auf und kann innerhalb kurzer Zeit verheerende Schäden verursachen. Daher ist es wichtig, die Gefahren des thermischen Durchgehens zu verzögern oder zu unterdrücken, um nach einem Unfall ausreichend Zeit zur Flucht zu bieten.
CMB-Ingenieure untersuchen das thermische Durchgehen von Lithiumbatteriepaketen seit Jahrzehnten. Wir können BMS für verschiedene Anwendungen entwerfen, die Temperatur, Entladespannung und Entladestrom der Batterie überwachen, die Batterie stoppen und vor dem thermischen Durchgehen einen Alarm auslösen. Wenn Sie auf der Suche nach einem 100% sicheren Lithiumbatteriepaket für Ihr Gerät sind, klicken Sie hier, um Hilfe von CMB-Ingenieuren zu erhalten!
Fazit
Sobald ein thermisches Durchgehen in einem Lithiumbatteriepaket auftritt, ist es wie ein abgeschossener Pfeil, der nicht mehr zurückgeholt werden kann. Derzeit hat die Industrie die Mechanismen hinter dem thermischen Durchgehen grob verstanden. Zukünftige Forschungen werden sich mehr auf Batteriesicherheit, thermisches Management, Früherkennung und Frühwarnung von thermischem Durchgehen sowie auf Hindernisse bei der späten Benachrichtigung und Kommunikation konzentrieren. Durch die kontinuierliche Erforschung durch Branchenexperten wird angenommen, dass umfassende Lösungen für das thermische Durchgehen von Batterien in naher Zukunft erreicht werden. Dann könnten Menschen Elektrofahrzeuge mit größerer Gelassenheit fahren und Energiespeicherprodukte in großem Maßstab nutzen und einen neuen Lebensstil genießen, der mit sauberer Energie betrieben wird – voller Vertrauen.
4 Gedanken