Calorimeters voor thermisch propagatieonderzoek aan Lithium-ion batterijen

Calorimeters voor thermisch propagatieonderzoek aan Lithium-ion batterijen

Dr. Carlos Ziebert, hoofd van hetcalorimetercentrum van het IAM-AWP, KIT, legt uithoe calorimeters kunnen worden toegepast om materialen te verbeteren voor de beperking van de thermische voortplanting in lithium-ionbatterijen

Het in 2011 opgerichte Calorimetercentrum van het Instituut voor Toegepaste Materialen van het Technologie-instituut Karlsruhe (KIT) exploiteert het grootste batterijcalorimeterlaboratorium van Europa. Zes Accelerating Rate Calorimeters (ARC's, Thermal Hazard Technology) van verschillende grootte, gebruikt in combinatie met cyclers, maken de evaluatie mogelijk van thermodynamische, thermische en veiligheidsgegevens voor Lithium-ion cellen op materiaal-, cel- en packniveau voor zowel normale als misbruikcondities (thermisch, elektrisch en mechanisch). Lithium-ion-cellen hebben de voordelen van een hoge energiedichtheid, een snel laad/ontlaadvermogen, geen geheugeneffect en een geringe zelfontlading, waardoor zij de meest geschikte energiebron zijn voor draagbare elektronische apparaten en voor de elektrificatie van het vervoer, die in de 21e eeuw een steeds grotere invloed krijgt op ons dagelijks leven.

Thermische verspreiding

Het is duidelijk dat veiligheidskwesties van grote invloed zijn op de bereidheid van de consument om Lithium-ion-batterijen te gebruiken, omdat een oncontroleerbare stijging van de temperatuur van het gehele systeem (de zogenaamde thermische runaway) een ontbranding of zelfs een explosie van de batterij kan veroorzaken, waarbij gelijktijdig giftige gassen vrijkomen. Indien het niet mogelijk is te voorkomen dat één enkele cel in een thermische runaway terechtkomt, bestaat de laatste stap erin de propagatie van de thermische runaway van één cel naar de naburige cellen, de zogenaamde thermische propagatie, te voorkomen of ten minste de tijd tot de thermische propagatie te verlengen tot 5-10 minuten. Dit zou de passagiers in een elektrisch voertuig voldoende tijd moeten geven om te ontsnappen of door de brandweer te worden gered. De grootschalige ARC's zijn zeer geschikt om de thermische voortplanting te bestuderen

Opstelling voor materiaalkwalificatie met het oog op de beperking van de thermische voortplanting

Onlangs is in het Calorimetercentrum een opstelling ontwikkeld waarmee geschikte tegenmaatregelen, zoals warmte schilden, kunnen worden ontwikkeld en gekwalificeerd. Deze opstelling bestaat uit een metalen doos die een batterijdoos nabootst en die in de calorimeterkamer wordt geplaatst. Vier zakcellen worden in de doos geïnstalleerd en voorzien van thermokoppels die op de ARC-software worden aangesloten. Een verwarmingsmat wordt bevestigd aan cel 2 en het te testen hitteschildmateriaal wordt geïnstalleerd tussen de cellen 3 en 4 en onder het deksel (z. Fig. 1). Met behulp van het verwarmingsmatje wordt cel 2 nu opgewarmd om de thermische runaway in gang te zetten. Fig. 2 laat duidelijk zien dat de thermische wegloop zich onmiddellijk voortplant naar cel 1 en cel 3. Het verbeterde beschermingsmateriaal DEFENSOR MULTIFLEX® van de HKO Group, dat in dit voorbeeld werd getest, is echter in staat de thermische wegloop naar cel 4 met 9 minuten te vertragen. Bovendien bleef de temperatuur aan de bovenzijde van het deksel, de zogenaamde koude-zijtemperatuur, gedurende de hele test onder 80 °C, terwijl binnenin de accubak temperaturen tot 850 °C werden bereikt.

Fig.1 Opstelling voor thermische vermeerderingstests

Fig.2 Materiaalkwalificatie voor verlenging van de thermische voortplantingstijd

Momenteel wordt door alle betrokken partijen gewerkt aan een mondiaal technisch reglement (GTR) inzake de veiligheid van elektrische voertuigen, waarin ook de thermische voortplanting aan bod komt. Er is dus nog heel wat discussie en onderzoek aan de gang om te beslissen wat de beste initialisatiemethode is, die een norm zou kunnen worden. Wij hopen dat het onderzoek in het calorimetercentrum zal helpen om op dit gebied vooruitgang te boeken.

Auteur: Open Access Overheid

Dit artikel is gepubliceerd onder Creative Commons licentie CC-BY.