Das thermische Durchgehen ist ein kritisches Problem in der Batterietechnologie, insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien, die häufig in verschiedenen Anwendungen von der Unterhaltungselektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Um die Sicherheit zu gewährleisten und potenzielle Gefahren zu mindern, ist es wichtig, die mit dem thermischen Durchgehen verbundenen Risiken zu verstehen. Deshalb werden wir uns die Gefahr des thermischen Durchgehens bei Batterien genauer ansehen.
Was ist Thermal Runaway bei Lithiumbatterien?
Definition und Kettenreaktionsprozess
Das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien ist ein komplexes Kettenreaktionsphänomen mit potenziell katastrophalen Folgen. Es beginnt häufig mit dem Zusammenbruch der Festelektrolyt-Grenzflächenmembran (SEI) in der negativen Elektrode der Batteriezelle. Dieser Zusammenbruch kann durch Faktoren wie Überladung, physische Beschädigung oder Herstellungsfehler ausgelöst werden.
Anfängliche Zusammenbruchsphase
Sobald die SEI-Membran zerfällt, beginnt der Separator in der Batteriezelle zu zerfallen und zu schmelzen. Dieser Zerfall beeinträchtigt die strukturelle Integrität der Zelle und fördert die Ausbreitung von Reaktionen zwischen Elektrode und Elektrolyt. Die Wechselwirkung der negativen Elektrode mit dem Elektrolyt löst weitere Zersetzungsreaktionen aus, die zur Freisetzung von Wärme und Gasen führen.
Eskalation und Ausbreitung
Dieser Prozess kann sich rasch beschleunigen und auf die positive Elektrode übergreifen, was das thermische Durchgehen verschlimmert. Die weit verbreitete Zersetzung und der Zusammenbruch innerhalb der Batteriezelle können zu internen Kurzschlüssen führen, die lokale Erwärmung verursachen und die Kettenreaktion weiter beschleunigen. Schließlich entzündet sich der Elektrolyt, was zu einer intensiven Verbrennung und der Freisetzung von Hitze und schädlichen Gasen führt.
Energiefreisetzungsperspektive
Lithiumbatterien werden als geschlossene Energiekugeln dargestellt. Diese kleinen Batterien fungieren als Reduktions- und Oxidationsmittel und ermöglichen so langsames Laden und Entladen oder eine starke Verbrennung.
Bei der thermischen Inaktivität einer Lithium-Ionen-Batterie handelt es sich um eine Kettenreaktion, die durch verschiedene Faktoren ausgelöst wird. Dabei wird Hitze erzeugt, die die Temperatur der thermischen Inaktivität der Lithium-Ionen-Batterie auf über tausend Grad Celsius ansteigen lässt, wodurch die Lithium-Batterien sich intensiv entzünden und in kurzer Zeit eine erhebliche Menge an Hitze und schädlichen Gasen freigesetzt wird.
Ausmaß der Energiefreisetzung
Wenn es bei Lithium-Ionen-Batterien zu einem thermischen Durchgehen kommt, ist die vom gesamten Batteriepaket freigesetzte Energie enorm. Ein aus 100 Zellen bestehender Akku mit einer Ladekapazität von 100 Ah hat eine Durchlaufenergie von 240,000,000 J, was etwa 57 Kilogramm TNT entspricht. Obwohl Wissenschaftler und Ingenieure weiterhin das Design verbessern, den Algorithmus verbessern und dann effektiv die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batteriepaketen für Kraftfahrzeuge verbessern, werden wir im wirklichen Leben von Zeit zu Zeit hören, wie einige Elektroautos und Mobiltelefone in Flammen aufgehen.
Was verursacht thermisches Durchgehen in Batterien?
- Überladung: Der Akku selbst verfügt über einen Überladeschutz. Wenn dieser jedoch versagt und der Akku weiter geladen wird, führt dies zu einer Überladung und einem thermischen Durchgehen. Mit zunehmender Nutzung altert der Akku stärker und seine Konsistenz verschlechtert sich. Wenn der Akku dann überladen ist, ist er sehr anfällig für thermische Sicherheitsprobleme. Daher ist es wichtig, immer Befolgen Sie die Anweisungen zum sicheren Laden.
- Überhitzung: Wenn der Akku sich schnell entlädt oder extremen Bedingungen ausgesetzt ist, steigt die Innentemperatur des Akkus allmählich an. Wenn sich in der Batterie eine erhebliche Wärmemenge ansammelt, kann es zu einem thermischen Durchgehen der Lithiumbatterie kommen, wenn der Entladestrom nicht rechtzeitig begrenzt wird.
- Mechanisch: Stöße, interne Kurzschlüsse und andere Einwirkungen, die den Akku beschädigen, können zu einem thermischen Durchgehen führen.
Der Prozess des thermischen Durchgehens von Lithiumbatterien
Übersicht über die Thermal Runaway-Stufen
Das thermische Durchgehen ist in drei Phasen unterteilt: die Selbsterhitzungsphase (50 °C–140 °C), die Durchgehensphase (140 °C–850 °C) und die Beendigungsphase (850 °C – Raumtemperatur). Einige Literaturangaben weisen darauf hin, dass die massive Schmelztemperatur des Separators bei etwa 140 °C beginnt.
Selbsterhitzungsstufe (50°C-140°C)
Die Selbsterhitzungsphase, auch Wärmeakkumulationsphase genannt, beginnt mit der Auflösung der SEI-Membran. Die Auflösung der SEI-Membran macht sich bemerkbar, wenn die Temperatur etwa 90 °C erreicht. Durch die Auflösung der SEI-Membran werden die negative Elektrode und die mit Lithium eingelagerten Kohlenstoffkomponenten innerhalb der negativen Elektrode dem Elektrolyten ausgesetzt, was eine exotherme Reaktion auslöst und dadurch die Temperatur erhöht. Die Temperaturerhöhung hingegen beschleunigt die weitere Zersetzung der SEI-Membran. Wenn kein externer Kühlmechanismus vorhanden ist, wird dieser Prozess fortgesetzt, bis die SEI-Membran vollständig zersetzt ist.
Durchgehendstadium (140°C–850°C)
Während der Durchlaufphase lösen Temperaturen über 140°C elektrochemische Reaktionen aus in Elektrode Materialien. Die erhöhte Masse der Reaktanten beschleunigt den Temperaturanstieg. Zu den erkennbaren Veränderungen gehört ein starker Spannungsabfall. Der Separator beginnt in diesem Temperaturbereich massiv zu schmelzen. Dies führt zu direktem Elektrodenkontakt und damit zu weitreichenden Kurzschlüssen.
Intensive Reaktionsphase
Intensive Reaktionen erzeugen innerhalb kurzer Zeit große Mengen Gas und Wärme. Die Hitze erhitzt das Gas weiter, wodurch es sich ausdehnt und das Gehäuse der Batteriezelle reißt, was zu Phänomenen wie Materialauswurf führt. Der Durchlauf erreicht seinen intensivsten Zustand, wobei in dieser Phase die höchste Temperatur erreicht wird.
Thermische Ausbreitung
Befinden sich in der Nähe weitere Batteriezellen, kann sich der thermische Durchgehen auf diese ausbreiten, indem Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Wärme kann auf leitfähige Teile übertragen werden oder sich ausdehnen. Ursprünglich voneinander beabstandete Batteriezellen können nun in direktem Kontakt stehen, was den Wärmeübergang zwischen den Zellgehäusen erleichtert.
Abschlussphase (850 °C – Raumtemperatur)
In der Beendigungsphase kann ein thermisches Durchgehen erst beendet werden, wenn alle Reaktanten verbraucht sind. Ein Bericht der Feuerwehr weist darauf hin, dass bei geschlossenen Geräten mit hochenergetischen Substanzen wie Lithiumbatterien Brandbekämpfungsmaßnahmen das thermische Durchgehen nicht sofort stoppen können.
Feuerlöschmittel können die reagierenden Substanzen nicht effektiv erreichen. Feuerwehrleute sind in solchen Situationen hohen Risiken ausgesetzt, und die verfügbaren Maßnahmen sind begrenzt. In der Regel wird der Unfallort isoliert. Ein thermisches Durchgehen kann erst dann auf natürliche Weise beendet werden, wenn die Reaktanten verbraucht sind.
Wie kann ein thermisches Durchgehen von Li-Ionen verhindert werden?
Wie wir oben sehen können, liegt der Schwerpunkt des thermischen Durchgehens auf der Prävention und Überwachung. Sobald es zu einem thermischen Durchgehen kommt, gibt es wenig zu tun, um es zu stoppen, ähnlich wie der Versuch, eine Handgranatenexplosion zu löschen.
Prävention
1. Der Schlüssel zum thermischen Durchgehen liegt in der Stabilität der positiven und negativen Elektrodenmaterialien sowie des Elektrolyten. Zukünftig sind in mehreren Schlüsselbereichen größere Durchbrüche erforderlich. Dazu gehören die Beschichtung und Modifizierung positiver Elektrodenmaterialien. Die homogene Elektrolytkompatibilität mit den Elektroden muss verbessert werden. Auch die Wärmeleitfähigkeit des elektrischen Kerns muss verbessert werden. Alternativ kann ein Elektrolyt mit hoher Sicherheit gewählt werden, um die flammhemmende Wirkung zu nutzen.
2. Implementierung von Systemaktualisierungen und -verbesserungen aus externer Sicht.
- PTC (Positiver Temperaturkoeffizient) Geräte: Beim Einbau von PTC-Geräten in Lithium-Ionen-Batterien werden sowohl der Innendruck als auch die Temperatur berücksichtigt. 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 reduziert wird und ein automatischer Schutz der Batterie erreicht wird.
- Explosionsgeschützte Ventile: Wenn in der Batterie ein abnormaler Innendruck auftritt, verformt sich das explosionsgeschützte Ventil, wodurch das für den Anschluss verwendete Anschlusskabel in der Batterie abgeschnitten wird, wodurch der Ladevorgang unterbrochen wird.
- Verbesserte Kühlmethoden: Das Wärmemanagementsystem ist entscheidend für die Temperaturregelung und stellt sicher, dass die Batterie bei einer angemessenen Temperatur betrieben wird. Normalerweise wird es vom Fahrzeug-Controller gesteuert. Bei anormalen Temperaturen des Batteriepacks sorgt die Klimaanlage für eine rechtzeitige Kühlung oder Heizung, um die Sicherheit und Langlebigkeit der Batterie zu gewährleisten.
- Aerogel Batterie-Wärmeisolationspads: Hersteller montieren Aerogel-Wärmeleitpads zwischen Batteriezellen und -modulen. Bei einem thermischen Durchgehen in einer Batteriezelle sorgt die geringe Wärmeleitfähigkeit des Aerogels für eine thermische Isolierung, die den Unfall verzögert oder verhindert. Bei Überhitzung und Brand einer Batteriezelle erreichen die Aerogel-Wärmeleitpads die Brandschutzklasse A und blockieren bzw. verlangsamen die Brandausbreitung effektiv. Dieses Design stellt sicher, dass der Akkupack nicht innerhalb von 5 Minuten brennt oder explodiert und bietet ausreichend Fluchtzeit.
Entwickelt für thermische Stabilität, CMB Batterien Behalten Sie dank innovativem Design und Hochtemperaturelektrolyten, die Langlebigkeit und Leistung gewährleisten, sogar bei Temperaturen von bis zu 1 °C eine Entladerate von 85C bei. CMB bietet professionelle Hochtemperaturbatterie Packlösungen für medizinische Geräte, Ölexploration und IoT, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens auf 0.01 % reduziert wird.
Überwachung
1. Überwachung im Früh- und Mittelstadium
- Echtzeit-Thermal-Runaway-Frühwarntechnologie, überwacht von BMS
Die derzeit einfachste Lösung besteht darin, BMS zur Überwachung von Temperatur, Spannung und anderen Betriebsparametern einzusetzen, um frühzeitig Anzeichen eines thermischen Durchgehens zu erkennen. Um die Fehlererkennung zu verbessern, können Ingenieure höhere Präzision und Zuverlässigkeit nutzen oder entwickeln. Temperatursensoren und Spannungssensoren. Gleichzeitig können Entwickler mithilfe von Algorithmen genauere und effektivere Modelle zur Zustandsparameterschätzung erstellen, um Missbrauch und Anomalien früher zu erkennen. Künstliche Intelligenz kann dabei eine gewisse Rolle spielen. Allerdings gibt es auch Probleme mit BMS-Lösungen: Die externe Parameterüberwachung kann weder eine vollständige und genaue Simulation liefern, noch kann sie interne elektrochemische Veränderungen genau wiedergeben, sodass moderne BMS das potenzielle Risiko eines thermischen Durchgehens von Batteriezellen nicht umfassend bewerten können.
- Thermal Runaway-Frühwarntechnologie basierend auf interner Zustandsvorhersage
Eine vollständige externe Steuerung ist schwierig. Forscher setzen daher im Inneren an. Der aktuelle Forschungsschwerpunkt liegt auf der Echtzeit-Erfassung der internen Batterietemperatur und -impedanz. Zu den Methoden gehören eingebettete faltbare Bragg-Glasfasersensoren oder die Frequenzganganalyse mittels elektrochemischer Impedanzanalyse. Diese Ansätze befinden sich aufgrund von Kosten und technischen Einschränkungen noch im Laborstadium.
- Frühwarntechnologie für Thermal Runaway basierend auf der Gasdetektion
Im Frühstadium des thermischen Durchgehens einer Lithium-Ionen-Batterie ändern sich charakteristische Kenngrößen wie Batterietemperatur, Entladespannung und Entladestrom nur sehr langsam. Aufgrund dieser allmählichen Veränderungen können herkömmliche Batteriemanagementsysteme (BMS) Batteriefehler nicht frühzeitig erkennen. Aufgrund der internen elektrochemischen Reaktionen der Batterie entsteht zu diesem Zeitpunkt eine große Menge Gas. Daher ist der Einsatz von Gassensoren zur Frühwarnung vor dem thermischen Durchgehen einer Lithium-Ionen-Batterie sinnvoll. Einige Unternehmen entwickeln bereits entsprechende Produkte, die Gasdetektion mit Brandschutz kombinieren.
2. Überwachung im Spätstadium
Der Batteriezellseparator beginnt sich massiv aufzulösen. Dies führt zu großflächigen internen Kurzschlüssen in der Batterie. Aufgrund der massiven Kurzschlüsse zwischen positiver und negativer Elektrode kommt es dann zu einem Spannungseinbruch. Zu diesem Zeitpunkt ist der thermische Durchgehen völlig unkontrollierbar.
Während dieses Vorgangs erscheint ein erkennbarer elektrischer Parameter, die Klemmenspannung der Batteriezelle. Aktuelle BMS-Systeme können Spannungsdaten nur für jedes Reihenmodul genau erfassen (jedes Modul enthält mehrere parallel geschaltete Zellen). Dieses Phänomen ermöglicht es dem Managementsystem, einen Fehler in der Batteriezelle zu erkennen.
Wird jedoch im Laufe der Zeit ein Spannungsabfall festgestellt, handelt es sich bereits um einen irreversiblen Moment des thermischen Durchgehens. Das auslösende Signal für Kühlmaßnahmen verliert an Bedeutung.
Was wir tun können, ist, Strategien zu erwägen, um die Ausbreitung des thermischen Durchgehens während des Produktdesign- und Implementierungsprozesses zu verzögern. Tatsächlich erfolgt ein thermisches Durchgehen extrem schnell und kann innerhalb kurzer Zeit verheerende Schäden verursachen. Daher ist es wichtig, die Gefahr eines thermischen Durchgehens zu verzögern oder zu unterdrücken, um nach einem Unfall genügend Zeit für die Flucht zu haben.
CMB Ingenieur haben jahrzehntelang das thermische Durchgehen von Lithium-Akkupacks untersucht. Wir können BMS für verschiedene Anwendungen entwickeln, die Temperatur, Entladespannung und den Entladestrom der Batterie überwachen, die Batterie stoppen und vor dem thermischen Durchgehen einen Alarm auslösen. Wenn Sie nach einem 100 % sicheren Lithium-Akkupack für Ihr Gerät suchen, Klicken Sie hier, um Hilfe zu erhalten von CMB Ingenieure!
Fazit
Sobald es in einem Lithium-Akkupack zu einem thermischen Durchgehen kommt, ist es wie ein abgeschossener Pfeil, der nicht mehr zurückgeholt werden kann. Derzeit hat die Branche die Mechanismen hinter dem thermischen Durchgehen grob verstanden. Zukünftige Forschung wird sich mehr auf Batteriesicherheit, Wärmemanagement, frühzeitige Vorhersage und Warnung vor thermischem Durchgehen sowie Hindernisse für die Meldung und Kommunikation im Spätstadium konzentrieren. Aufgrund der kontinuierlichen Forschung durch Branchenexperten wird davon ausgegangen, dass in Kürze umfassende Lösungen für das thermische Durchgehen von Batterien gefunden werden. Zu diesem Zeitpunkt könnten die Menschen Elektrofahrzeuge beruhigter fahren und Energiespeicherprodukte in großem Maßstab nutzen und selbstbewusst einen neuen Lebensstil genießen, der von sauberer Energie angetrieben wird.
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