Energie-InfrastrukturKalorimeter für die Wärmeausbreitungsforschung an Lithium-Ionen-Batterien
Zusammenfassung
Lithium-Ionen-Batterien haben die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer schnellen Lade-/Entladefähigkeit, keines Memory-Effekts und einer geringen Selbstentladung. Der letzte Schritt besteht darin, die Ausbreitung des thermischen Durchgehens von einer Zelle auf die Nachbarzellen zu verhindern. An Zelle 2 wird eine Heizmatte angebracht, und das zu prüfende Hitzeschildmaterial wird zwischen den Zellen 3 und 4 und unterhalb des Deckels installiert (s. 1). Das in diesem Beispiel getestete verbesserte Schutzmaterial DEFENSOR MULTIFLEX® der HKO-Gruppe ist in der Lage, die Wärmeausbreitung auf Zelle 4 um 9 Minuten zu verzögern. Die Temperatur an der Oberseite des Deckels, die sogenannte Kaltseitentemperatur, blieb während des gesamten Tests unter 80 °C, während im Inneren des Batteriekastens Temperaturen von bis zu 850 °C erreicht wurden. Es gibt noch viele Diskussionen und laufende Forschungen in diesem Artikel ist unter der Creative Commons Lizenz CC-BY veröffentlicht, wird vom Calorimeter Center veröffentlicht.
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Kalorimeter für die Wärmeausbreitungsforschung an Lithium-Ionen-Batterien
Dr. Carlos Ziebert, Leiter desKalorimeterzentrums des IAM-AWPam KIT, erklärt, wie Kalorimeter zur Verbesserung von Materialien für die Wärmeausbreitungsdämpfung in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden können
Das 2011 gegründete Kalorimeterzentrum am Institut für Angewandte Materialien - Angewandte Materialphysik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) betreibt das größte Batterie-Kalorimeterlabor Europas. Sechs Accelerating Rate Calorimeter (ARCs, Thermal Hazard Technology) unterschiedlicher Größe ermöglichen in Kombination mit Cyclern die Auswertung von thermodynamischen, thermischen und sicherheitstechnischen Daten für Lithium-Ionen-Zellen auf Material-, Zell- und Pack-Ebene sowohl für Normal- als auch für Missbrauchsbedingungen (thermisch, elektrisch und mechanisch). Lithium-Ionen-Zellen haben die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer schnellen Lade-/Entladefähigkeit, keines Memory-Effekts und einer geringen Selbstentladung, was sie zur geeignetsten Energiequelle für tragbare elektronische Geräte und für die Elektrifizierung des Verkehrs macht, die unser tägliches Leben im 21. Jahrhundert mehr und mehr beeinflusst.
Thermische Ausbreitung
Es liegt auf der Hand, dass Sicherheitsaspekte einen großen Einfluss auf die Bereitschaft der Verbraucher haben, Lithium-Ionen-Batterien einzusetzen, denn ein unkontrollierbarer Temperaturanstieg des gesamten Systems (sog. Thermal Runaway) kann zu einer Entzündung oder sogar Explosion der Batterie mit gleichzeitiger Freisetzung von giftigen Gasen führen. Wenn es nicht möglich ist, den thermischen Durchbruch einer einzelnen Zelle zu verhindern, muss als letzter Schritt die Ausbreitung des thermischen Durchbruchs von einer Zelle auf die Nachbarzellen, die sogenannte thermische Propagation, verhindert oder zumindest die Zeit bis zur thermischen Propagation auf 5-10 min verlängert werden. Dies sollte den Insassen eines Elektrofahrzeugs genügend Zeit geben, zu entkommen oder von der Feuerwehr gerettet zu werden. Die großflächigen ARCs sind für die Untersuchung der thermischen Ausbreitung gut geeignet
Aufbau zur Materialqualifizierung für die Eindämmung der thermischen Ausbreitung
Kürzlich wurde am Kalorimeterzentrum ein Aufbau entwickelt, der es erlaubt, geeignete Gegenmaßnahmen, wie z. B. Hitzeschilde 
zu entwickeln und zu qualifizieren. Dieser Aufbau besteht aus einem Metallkasten, der einen Batteriekasten nachahmt und in die Kalorimeterkammer gestellt wird. Vier Pouch-Zellen sind in der Box installiert und mit Thermoelementen ausgestattet, die mit der ARC-Software verbunden sind. An Zelle 2 wird eine Heizmatte angebracht und das zu prüfende Hitzeschildmaterial wird zwischen den Zellen 3 und 4 und unter dem Deckel installiert (s. Abb. 1). Mit Hilfe der Heizmatte wird nun die Zelle 2 aufgeheizt, um ihren thermischen Runaway einzuleiten. Abb. 2 zeigt deutlich, dass sich der Thermal Runaway sofort auf Zelle 1 und Zelle 3 ausbreitet. Das verbesserte Schutzmaterial DEFENSOR MULTIFLEX® der HKO-Gruppe, das in diesem Beispiel getestet wurde, ist jedoch in der Lage, die thermische Ausbreitung auf Zelle 4 um 9 Minuten zu verzögern. Außerdem blieb die Temperatur auf der Oberseite des Deckels, die sogenannte Kaltseitentemperatur, während des gesamten Tests unter 80 °C, während im Inneren der Batteriebox Temperaturen von bis zu 850 °C erreicht wurden.
Abb.1 Aufbau für Wärmeausbreitungstests
Abb.2 Materialqualifikation für die Verlängerung der Wärmeausdehnungszeit
Derzeit wird von allen relevanten Interessengruppen eine globale technische Vorschrift (GTR) zur Sicherheit von Elektrofahrzeugen erarbeitet, die auch die thermische Ausbreitung beinhaltet. Daher gibt es noch viele Diskussionen und laufende Forschung, um zu entscheiden, welches die beste Initialisierungsmethode ist, die ein Standard werden könnte. Wir hoffen, dass die Forschung im Kalorimeterzentrum dazu beiträgt, auf diesem Gebiet Fortschritte zu erzielen.
Autor: Open Access Regierung
Dieser Artikel ist unter der Creative Commons Lizenz CC-BY veröffentlicht.
