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24.07.2020

Verbesserte Prüfverfahren für sichere Batteriesysteme

Die Entwicklung innovativer Batteriesysteme setzt verlässliche Sicherheitsprüfungen der verwendeten Lithium-Ionen-Zellen unter Realbedingungen voraus. An der Entwicklung verbesserter Standards, die für mehr Sicherheit, aber auch für mehr Flexibilität im Batteriedesign sorgen sollen, arbeitet das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Forschungsprojekt ProLIB nun gemeinsam mit Prüf- und Normungsinstituten sowie mit Partnern aus der Industrie.

Die am KIT entwickelte temperierbare und mit Sensorik ausgestattete Sicherheitseinhausung für das Prüfen von Lithium-Ionen-Zellen unter kritischen Bedingungen. (Foto: Amadeus Bramsiepe, KIT)

Ein heute übliches Vorgehen bei Sicherheitsprüfungen für Lithium-Ionen-Batterien ist z.B. das Durchbohren eines Notebooks mit einem Nagel.
„Um bestimmte Tests durchzuführen, müssen die Zellen zunächst massiv misshandelt werden“, sagt Dr. Anna Smith vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT. „Ziel der Anstrengungen ist es,Verbesserte Prüfverfahren für sichere Batteriesysteme „Ziel der Anstrengungen ist es, angenommene Worst-Case-Defekte im Inneren der Zellen auszulösen, um deren Verlauf in der Batterie zu beobachten.“ Neben dem Durchbohren mit Nägeln sei es etwa auch üblich, Zellen extrem zu überladen oder zu überhitzen.

Zwischen Worst Case und Realität

Die bei solchen Methoden entstehende Diskrepanz zwischen Prüfverfahren und einer realistischen Beanspruchung bleibt nicht folgenlos: Tatsächliche Fehlerverläufe sind nicht Gegenstand der Untersuchung und so bleiben Herstellungsfehler von qualitativ minderwertigen Zellen und deren Risiken unerkannt, während eigentlich sichere Zellen benachteiligt werden. „Wenn Batteriesysteme unabhängig von Ihrer Zellqualität für realitätsferne Worst-Case-Szenarien ausgelegt werden, dann macht sie das nicht sicherer, sondern voluminöser, schwerer, weniger nachhaltig und auch teurer als notwendig“, so Smith.

Partner des Batterietechnikum des KIT beim Forschungsprojekt:

Verbundpartner

  • AVL Deutschland GmbH,
  • CTC advanced GmbH und
  • TÜV Rheinland LGA Products GmbH

Assoziierte Partner

  • Partnern ads-tec Energy GmbH,
  • Intilion GmbH,
  • Jungheinrich Norderstedt AG & Co. KG,
  • Solarwatt Innovation GmbH,
  • VARTA Storage GmbH
  • Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE (VDE|DKE)

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Forschungsprojekt „Entwicklung eines Propagations-Prüfverfahrens für Lithium-Ionen-Zellen in Batteriesystemen“ (ProLIB) mit mehr als 1,2 Millionen Euro.

Mehr Sicherheit durch realistischere Prüfverfahren

Grundsätzlich ist die Sorge vor gefährlichen Defekten in Lithium-Ionen-Zellen nicht unbegründet: So können sich Dendriten, also spitze Lithiumablagerungen, an der Anode bilden. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese dann Kurzschlüsse auslösen, und somit letztendlich auch einen Thermal Runaway (eine exotherme Reaktion mit starker, sich selbst beschleunigender Wärmeentwicklung) herbeiführen, ist besonders in Zellen gegeben, die qualitativ niederwertige Zellkomponenten beinhalten. Durch Ausbreitung dieses Fehlers auf benachbarte Zellen (Propagation) folgen im schlimmsten Fall eine Kettenreaktion sowie ein Brand der Batterie. Und jede Steigerung der Energiedichte, um beispielsweise die Reichweite eines vollelektrischen Fahrzeuges zu erweitern oder die Nachhaltigkeit durch weniger Rohstoffeinsatz zu verbessern, wird durch zu grobe Testverfahren erschwert. „Die Widerstandsfähigkeit der Lithium-Ionen-Zelle gegen wirklich gefährliche Defekte, die etwa aufgrund des Zellaufbaus oder der Zellkomponenten je nach Hersteller stark variieren kann, steht viel zu wenig im Mittelpunkt. Vom Thermal Runaway auszugehen ist, als würde man die Sicherheit eines Feuerzeugs ausschließlich an dessen Explosionsverhalten bemessen“, so Smith.

Mehr Informationen zum Batterietechnikum

Unternehmensinformation

Karlsruher Inst. f. Technologie KIT

Kaiserstr. 12
DE 76131 Karlsruhe
Tel.: 0721 608-0
Fax: 0721 608-44290

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