Thermisches Durchgehen der EV-Batterie

Sicherheitsprobleme sind das Haupthindernis für den großflächigen Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrzeugen.

Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien wird die Verbesserung ihrer Sicherheit für die Entwicklung von Elektrofahrzeugen immer dringlicher. Thermisches Durchgehen ist ein Schlüsselthema in der Batteriesicherheitsforschung. Daher bietet dieser Artikel einen umfassenden Überblick über den Mechanismus des thermischen Durchgehens bei handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Er fasst die Missbrauchssituationen zusammen, die zu thermischem Durchgehen führen können. Zu den Missbrauchssituationen gehören mechanischer Missbrauch, elektrischer Missbrauch und thermischer Missbrauch. Interne Kurzschlüsse sind das häufigste Merkmal aller Missbrauchszustände.

Mechanische Misshandlung

Unter Einwirkung äußerer Kräfte ist die Verformung von Lithium-Batteriezellen und -packs sowie die relative Verschiebung verschiedener Teile das wichtigste äußere Merkmal mechanischer Misshandlung. Zu den wichtigsten Formen für Batteriezellen gehören Stöße, Druck und das Eindringen von Nägeln. In Anbetracht der Höhe des Batteriepacks müssen auch Vibrationsprobleme berücksichtigt werden.

Die gefährlichste Form des mechanischen Missbrauchs ist das Eindringen von Nägeln in das Batteriegehäuse, wodurch ein direkter Kurzschluss zwischen dem Plus- und Minuspol verursacht wird. Im Vergleich zu Kollisionen, Quetschungen usw. ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zu internen Kurzschlüssen kommt, sehr gering. Die Wärmeentwicklung beim Eindringen der Nägel ist intensiver, und die Wahrscheinlichkeit einer unkontrollierten Erwärmung ist größer.

Früher galt die Nadeleinstichprüfung als alternative Prüfmethode für ISC. Die Wiederholbarkeit der Nadelprüfung wird jedoch von den Batterieherstellern in Frage gestellt. Einige glauben, dass Lithium-Ionen-Batterien mit höherer Energiedichte den Standard-Nageltest niemals bestehen werden. Die Verbesserung der Wiederholbarkeit des Nadeleinstichtests oder die Suche nach alternativen Testmethoden bleibt ein offenes und schwieriges Thema in der Sicherheitsforschung für Lithium-Ionen-Batterien.

Elektrischer Missbrauch

Der elektrische Missbrauch von Lithiumbatterien umfasst im Allgemeinen externe Kurzschlüsse, Überladung und Entladung, wobei die Überladung am ehesten zu einem thermischen Durchgehen führt.

Ein externer Kurzschluss tritt auf, wenn zwei Leiter mit einem Druckunterschied außerhalb der Zelle verbunden sind. Der externe Kurzschluss des Akkupacks kann durch Verformung, Eintauchen, Verunreinigung der Leiter oder einen Stromschlag bei der Wartung durch einen Zusammenstoß mit einem Auto verursacht werden.

Verglichen mit dem Eindringen von Nägeln erwärmt die durch externe Kurzschlüsse freigesetzte Wärme die Batterie normalerweise nicht. Die wichtigste Verbindung zwischen externem Kurzschluss und thermischem Durchgehen ist eine zu hohe Temperatur. Wenn die durch externe Kurzschlüsse erzeugte Wärme nicht gut abgeleitet werden kann, steigt die Temperatur der Batterie, und die Hochtemperatur-Kontaktwärme gerät außer Kontrolle. Daher sind die Unterbrechung des Kurzschlussstroms oder die Ableitung überschüssiger Wärme Methoden, um weitere durch externe Kurzschlüsse verursachte Schäden zu verhindern.

Überladung

Aufgrund ihres hohen Energiegehalts ist sie die gefährlichste Form des elektrischen Missbrauchs. Die Erzeugung von Wärme und Gas sind zwei typische Merkmale der Überladung. Die Erwärmung entsteht durch ohmsche Wärme und Nebenreaktionen. Erstens bilden sich aufgrund der übermäßigen Lithiumeinlagerung Lithiumdendriten auf der Anodenoberfläche. Der Zeitpunkt, zu dem die Lithiumdendriten zu wachsen beginnen, wird durch das stöchiometrische Verhältnis von Kathode und Anode bestimmt. Zweitens führt eine übermäßige Ablösung von Lithium zum Zusammenbruch der Kathodenstruktur aufgrund von Erhitzung und Sauerstofffreisetzung. Die Freisetzung von Sauerstoff beschleunigt die Zersetzung des Elektrolyten, wobei eine große Menge Gas entsteht. Durch den Anstieg des Innendrucks öffnet sich das Auslassventil und die Batterie beginnt zu entladen. Nachdem die aktive Substanz in der Batteriezelle mit Luft in Berührung gekommen ist, kommt es zu einer heftigen Reaktion, bei der eine große Wärmemenge freigesetzt wird. Der Überladungsschutz kann unter zwei Gesichtspunkten erfolgen: Spannungsmanagement und Materialanpassung.

Überentladung

Uneinheitliche Spannungen zwischen den Batterien innerhalb eines Batteriesatzes sind unvermeidlich. Sobald das BMS eine einzelne Batteriezelle mit der niedrigsten Spannung nicht gezielt überwacht, wird sie überladen. Der Mechanismus der Überentladung unterscheidet sich von anderen Formen des Missbrauchs, und die potenzielle Gefahr wird möglicherweise unterschätzt.

Bei einer Überentladung kann die Batterie mit der niedrigsten Spannung im Batteriesatz durch andere in Reihe geschaltete Batterien zwangsentladen werden. Bei der Zwangsentladung wird die Batteriespannung durch Polumkehrung negativ, was zu einer abnormalen Erwärmung der überentladenen Batterie führt. Die durch die Überentladung gelösten Kupferionen wandern durch die Membran und bilden Kupferdendriten mit niedrigerem Potenzial auf der Kathodenseite. Wenn das Wachstum weiter zunimmt, können die Kupferdendriten die Membran durchdringen und zu einer schweren ISC führen.

Thermischer Missbrauch

Lokale Überhitzung kann ein typischer Fall von thermischem Missbrauch sein, der bei Akkus auftritt. Thermischer Missbrauch tritt selten unabhängig auf, sondern entwickelt sich oft aus mechanischem und elektrischem Missbrauch und ist letztlich eine direkte Ursache für eine unkontrollierte Erwärmung. Neben der Überhitzung durch mechanischen/elektrischen Missbrauch kann eine Überhitzung auch durch lose Anschlusskontakte verursacht werden. Das Problem der losen Batterieanschlüsse hat sich bestätigt. Thermischer Missbrauch ist auch die am häufigsten simulierte Situation, wobei kontrollierte Heizbatterien verwendet werden, um ihre Reaktionen während des Erhitzungsprozesses zu beobachten.

Interner Kurzschluss

Ein interner Kurzschluss ist ein direkter Kontakt zwischen dem Plus- und dem Minuspol der Batterie. Der Grad des Kontakts variiert natürlich auch stark in den nachfolgenden Reaktionen, die ausgelöst werden. Ein großflächiger interner Kurzschluss, der in der Regel durch mechanische und thermische Einwirkungen verursacht wird, führt direkt zum thermischen Durchgehen. Im Gegensatz dazu ist der interne Kurzschluss, der sich selbst entwickelt hat, relativ mild und erzeugt nur sehr wenig Wärme, was nicht sofort zu einem thermischen Durchgehen führen wird.

Die Geschwindigkeit der Energiefreisetzung variiert mit dem Grad des Membranbruchs und der Zeitspanne zwischen ISC und thermischem Durchgehen. Man geht davon aus, dass spontane ISC durch Verschmutzung oder Mängel im Herstellungsprozess verursacht werden. Verschmutzungen/Defekte brauchen Tage oder sogar Monate, um sich zu einer spontanen ISC zu entwickeln, und die am langfristigen Inkubationsprozess beteiligten Mechanismen sind recht komplex.

In diesem Artikel werden die aktuellen Forschungsergebnisse über das Phänomen, die Ursachen und die Reaktionsstrategien bei thermischem Durchgehen vorgestellt. Die häufigsten Merkmale aller Missbrauchsbedingungen sind interne Kurzschlüsse, einschließlich mechanischem Missbrauch, elektrischem Missbrauch und thermischem Missbrauch. Thermisches Durchgehen folgt dem Mechanismus der Kettenreaktion, bei der die Zersetzungsreaktionen der Batteriekomponentenmaterialien nacheinander ablaufen.