Für die Forschung an Lithium-Ionen Batterien
Von der Forschung über die Entwicklung bis hin zum fertigen Endprodukt für die Industrie bedient die AVN GmbH alle Bereiche. In diesem Fall war die Thematik der Universität Wuppertal die Grundlagenforschung des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien.
Traktionsbatterien, auch als Antriebs- oder Zyklenbatterien bezeichnet, sind wiederaufladbare Energiespeicher für Elektrofahrzeuge und elektrische Geräte, die auf eine hohe Zyklenfestigkeit und lange Betriebsdauer ausgelegt sind. In Elektrofahrzeugen erreichen sie ihr Lebensende meist bei einem Kapazitäts- oder Leistungsverlust von etwa 20–30 %. Obwohl sie dann für den Fahrzeugeinsatz nicht mehr geeignet sind, können sie häufig in weniger anspruchsvollen Anwendungen weitergenutzt werden. Diese Zweitnutzung verlängert die Lebensdauer der Batterien, reduziert Entsorgung und spart Ressourcen. Gebrauchte Fahrzeugbatterien können als Heimspeicher für Photovoltaikanlagen eingesetzt werden, um erneuerbare Energie effizient zu speichern und Ressourcen zu schonen. Dabei sind Zuverlässigkeit und Sicherheit zentrale Herausforderungen, die unter anderem durch Brandtests bewertet werden müssen.
Die Aufgabenstellung war es eine Kammer zu bauen, in der die Lithium-Ionen-Batterien kontrolliert durch elektrisches Überladen zum thermischen Durchgehen gebracht werden können. Lithium-Ionen-Batterien bergen bei großflächigem Einsatz das Risiko eines sogenannten thermischen Durchgehens. Dabei kann es zu einer starken Erwärmung der Zelle sowie zur Freisetzung giftiger und entzündlicher Gase kommen, die Brände oder Explosionen verursachen können. Um die damit verbundenen Gesundheitsgefahren für Anwohner und Einsatzkräfte besser bewerten zu können, wurde ein spezieller Versuchsaufbau entwickelt. In einem gesicherten Druckbehälter werden Lithium-Ionen-Zellen gezielt bis zum thermischen Durchgehen belastet, sodass die entstehenden Gase kontrolliert aufgefangen, gemessen und untersucht werden können. Ziel ist es, das Gefahrenpotenzial dieser Gase realistisch einzuschätzen und die Sicherheitsbewertung von Batteriesystemen zu verbessern.
Das Ergebnis ist ein Druckbehälter der für einen Systemdruck von 40 bar und einer Dauertemperatur von 260° C ausgeführt ist. Die Basis ist ein Rohr aus unlegiertem Druckbehälterstahl P235GH mit einer Wandstärke von 20 mm. Für die bessere Zugänglichkeit bei der Versuchsvorbereitung und Durchführung sind beidseitig Zugänge geschaffen. Hierfür sind Flansche aus P250GH und Blindflansche aus P265GH mit einer Wandstärke von 90mm verbaut und mit Schwenkarmen versehen, um diese besser bedienen zu können. Auf Grund des hohen Prüfdruckes von über 57 bar bei der Endabnahme durch den TÜV, mussten alle Anschlussflansche für einen Nenndruck von 100 bar ausgeführt werden. Das Innere besteht aus einem zusätzlichen Hitzeschutzschild aus hochhitzebeständigem austenitischem Chrom-Nickel-Stahl 1.4841, um die Temperaturspitzen beim thermischen Durchgehen abzufangen und nicht direkt dem Zylinderrohr auszusetzten. Im Inneren des Hitzeschutzrohres ist ein Auflageblech eingeschoben, um die Batterie und den restlichen Versuchsaufbau zu befestigen.
Weitere Details und Versuchsergebnisse können Sie dem hieraus entstanden Paper in den Kapiteln Sicherheitsanalyse 2.3 und 3.4 unter https://www.mdpi.com/2071-1050/16/17/7288 entnehmen.
