Thermische Propagation
Unter thermischem Durchgehen von Lithium-Ionen-Zellen versteht man die unkontrollierte, exotherme Freisetzung der in der Zelle gespeicherten chemischen und elektrischen Energie innerhalb weniger Sekunden. Kommt es durch Crash oder einen zellinternen Fehler zum thermischen Durchgehen einer ersten Zelle im Batteriepack, so bewirkt das eine Kettenreaktion, bei der die brennenden Zellen jeweils ihre Nachbarzellen anstecken und in Brand setzen. Diese Kettenreaktion wird als thermische Propagation bezeichnet. Bei großen Packs mit vielen Dutzenden oder hunderten Zellen kommt es in der Folge zu einem massiven Batteriefeuer.
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Thermische Propagation ist das kritischste Sicherheitsproblem in Lithium-Ionen-Batterien. Die gute Nachricht ist, dass wir sie mit den richtigen Maßnahmen unterbinden können.
M. Bauer, CEO
Mechanismen der Propagation
Wärmeübertrag über die Seitenflächen der Zellen
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Während des Durchgehens einer ersten Zelle werden an Ihrer Oberfläche Temperaturen bis über 600°C gemessen. Es kommt zu einem Wärmefluss über die Zellseitenflächen. Wird dadurch die Nachbarzelle bis über eine kritische Schwelle aufgeheizt, schmilzt in ihrem Inneren der Separator und auch die Nachbarzelle geht thermisch durch. Für die Unterdrückung von thermischer Propagation werden hocheffektive thermische Barrieren zwischen den Zellen benötigt, die den Wärmetransfer zur Nachbarzelle unterbinden.
Heiße Gase und Partikel (Venting)
Heiße Gas-Jets und Partikelströme, die von einer ersten, durchgehenden Zelle ausgestoßen werden, können die thermische Barriere umgehen und Nachbarzellen triggern. Dies stellt einen weiteren Mechanismus für die thermische Propagation dar. Nur durch zusätzliche Schutzkomponenten (z.B. Vergussmaterialien) und eine geeignete Modulkonstruktion kann dies verhindert werden.
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Sonstige Fehlermechanismen
Lithium-Ionen-Packs sind komplexe technische Systeme. Eine Vielzahl von konstruktiven Details kann die Performance des Moduldesigns bei thermischer Propagation entscheidend beeinflussen. Je nach angestrebtem Modulkonzept (Zellformat, Verschaltung, Venting-Konzept, mechanischer Aufbau der Module) ist es notwendig, eine Reihe von typischen Fehlermechanismen durch passende Maßnahmen zu unterbinden.
Thermische Propagation und Zellformat
Großformatige Lithium-Ionen-Zellen werden in unterschiedlichen Formfaktoren angeboten und eingesetzt. Die wichtigsten Typen sind prismatische Zellen, Pouchzellen und Rundzellen. Thermische Propagation tritt in Batteriesystemen aller Zellformate auf, wenn dies nicht durch geeignete, konstruktive Maßnahmen unterbunden wird.