Thermisches Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien und Materialanalyse

Heutzutage setzen verschiedene Automobilhersteller Lithium-Ionen-Batterien in großem Umfang in Antriebsbatterien ein, und die Energiedichte steigt stetig. Dennoch gibt es weiterhin Bedenken hinsichtlich der Sicherheit dieser Batterien, und dies stellt keine optimale Lösung dar. Thermisches Durchgehen ist ein zentrales Forschungsthema im Bereich der Antriebsbatteriesicherheit und verdient daher besondere Aufmerksamkeit.

Zunächst einmal wollen wir verstehen, was ein thermisches Durchgehen ist. Ein thermisches Durchgehen ist eine Kettenreaktion, die durch verschiedene Auslöser hervorgerufen wird und innerhalb kurzer Zeit zu einer starken Hitzeentwicklung und der Freisetzung schädlicher Gase aus der Batterie führt. In schweren Fällen kann dies sogar einen Brand und eine Explosion der Batterie verursachen. Es gibt viele Ursachen für ein thermisches Durchgehen, wie z. B. Überhitzung, Überladung, interner Kurzschluss, Kollisionen usw. Häufig beginnt ein thermisches Durchgehen in einer Batterie mit der Zersetzung der negativen SEI-Schicht in der Batteriezelle. Darauf folgt die Zersetzung und das Schmelzen der Membran, wodurch die negative Elektrode und der Elektrolyt in Mitleidenschaft gezogen werden. Anschließend zersetzen sich sowohl die positive Elektrode als auch der Elektrolyt, was einen großflächigen internen Kurzschluss auslöst. Der Elektrolyt entzündet sich, das Feuer breitet sich auf andere Zellen aus und verursacht ein schwerwiegendes thermisches Durchgehen, das schließlich zur Selbstentzündung des gesamten Akkus führt.

Die Ursachen eines thermischen Durchgehens lassen sich in interne und externe Ursachen unterteilen. Interne Ursachen sind häufig auf interne Kurzschlüsse zurückzuführen; externe Ursachen sind beispielsweise mechanische, elektrische oder thermische Überbeanspruchung.

Ein interner Kurzschluss, also ein direkter Kontakt zwischen den Plus- und Minuspolen einer Batterie, variiert stark hinsichtlich des Kontaktgrades und der daraus resultierenden Reaktion. Ein massiver interner Kurzschluss, verursacht durch mechanische oder thermische Überlastung, führt in der Regel direkt zu einem thermischen Durchgehen. Im Gegensatz dazu sind spontan entstehende interne Kurzschlüsse relativ geringfügig, und die erzeugte Wärme ist so gering, dass sie nicht sofort ein thermisches Durchgehen auslösen. Zu den typischen Ursachen für eine solche spontane interne Entstehung zählen Herstellungsfehler, die Verschlechterung verschiedener Eigenschaften durch Alterung der Batterie (z. B. erhöhter Innenwiderstand) und Lithiummetallablagerungen durch langfristige, mäßigen Missbrauch. Mit der Zeit steigt das Risiko eines internen Kurzschlusses aufgrund solcher interner Ursachen.

Mechanische Beschädigung bezeichnet die Verformung von Lithium-Ionen-Akkus und Akkupacks durch äußere Krafteinwirkung sowie die relative Verschiebung ihrer Bestandteile. Zu den Hauptursachen zählen Kollisionen, Quetschungen und Durchstiche. Beispielsweise kann ein Fremdkörper, der mit hoher Geschwindigkeit von einem Fahrzeug erfasst wird, direkt zum Kollaps der inneren Membran des Akkus führen. Dies wiederum verursacht einen Kurzschluss im Akku und löst innerhalb kurzer Zeit eine Selbstentzündung aus.

Elektrischer Missbrauch von Lithiumbatterien umfasst im Allgemeinen externe Kurzschlüsse, Überladung und Tiefentladung in verschiedenen Formen, die bei Überladung mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem thermischen Durchgehen führen. Ein externer Kurzschluss entsteht, wenn zwei Leiter mit unterschiedlichem Druck außerhalb der Zelle verbunden sind. Externe Kurzschlüsse in Akkupacks können durch Verformungen infolge von Fahrzeugkollisionen, Eintauchen in Wasser, Verschmutzung der Leiter oder Stromschläge bei Wartungsarbeiten verursacht werden. Im Gegensatz zu einer Beschädigung erhitzt die bei einem externen Kurzschluss freigesetzte Wärme die Batterie in der Regel nicht. Der entscheidende Zusammenhang zwischen einem externen Kurzschluss und einem thermischen Durchgehen liegt in der Temperatur, die den Punkt der Überhitzung erreicht. Wenn die durch den externen Kurzschluss erzeugte Wärme nicht ausreichend abgeführt werden kann, steigt die Batterietemperatur an, und die hohe Temperatur löst ein thermisches Durchgehen aus. Daher sind das Abschalten des Kurzschlussstroms oder die Ableitung überschüssiger Wärme Möglichkeiten, weitere Schäden durch einen externen Kurzschluss zu verhindern. Überladung ist aufgrund der hohen Energie eine der größten Gefahren elektrischen Missbrauchs. Die Entstehung von Wärme und Gasen ist zwei typische Merkmale des Überladevorgangs. Die Wärme entsteht durch ohmsche Wärme und Nebenreaktionen. Erstens bilden sich aufgrund übermäßiger Lithiumeinlagerung Lithiumdendriten auf der Anodenoberfläche.