Es ist an der Zeit: die 6 Phasen der thermischen Runaway-Ausbreitung

Ausbreitung des thermischen Durchgehens ist eine komplexe Herausforderung. Unabhängig von der Zellchemie oder der Packungsarchitektur besteht bei Lithium-Ionen-Batterien das Risiko eines thermischen Durchgehens. Auch wenn es keine Universallösung gibt, müssen Batterieingenieure das Rad nicht neu erfinden, wenn sie eine Lösung zur Erfüllung kritischer Sicherheitsanforderungen entwickeln. Durch das Verständnis der Feinheiten jeder Phase des thermischen Durchgehens können Ingenieure herausfinden, welche Hebel sie betätigen müssen, um ihre Leistungs- und Sicherheitsziele zu erreichen.

Was ist Thermal Runaway?

Lithium-Ionen-Batterien erzeugen beim Betrieb eine geringe Wärmemenge. Die chemischen Reaktionen innerhalb der Zellen können sich beschleunigen, wenn sie durch mechanische (z. B. beschädigte Zelle), elektrische (z. B. Überladung) und thermische Belastung (z. B. Überhitzung) ausgelöst werden. Wenn die Temperatur steigt, verliert die Zelle die Fähigkeit, Wärme abzuleiten, was dazu führen kann, dass die Zelle Feuer fängt (d. h. thermisches Durchgehen). Ein thermisches Durchgehen in einer einzelnen Zelle ist ein Wartungsereignis, kann sich jedoch schnell auf andere Zellen ausbreiten (thermische Ausbreitung), was ein Sicherheitsrisiko darstellt.

Thermische Ausbreitung über kurze und lange Zeiträume

Aktuelle Richtlinien empfehlen, dass alle Passagiere das Fahrzeug innerhalb der ersten fünf Minuten nach Erkennung eines Thermal Runaway-Ereignisses sicher verlassen können müssen. Da Batterieingenieure die Technologie besser verstehen, sind wahrscheinlich strengere Vorschriften und längere Zeitpläne in Sicht. Das ultimative Ziel besteht darin, sich nicht ausbreitende Systeme zu schaffen, aber die Branche hat noch einen langen Weg vor sich.

Kurzfristig

Die ersten Minuten eines Thermal Runaway-Ereignisses sind explosiv und gewalttätig. Das Verständnis dieser Mechanismen ist entscheidend, um die thermische Ausbreitung einzudämmen und die Fünf-Minuten-Vorschriften einzuhalten.

1. Zell-Zell-Leitung

Zellleitung tritt auf, wenn Energie von der Triggerzelle durch direkten Kontakt auf eine benachbarte Zelle übertragen wird. Die in Beutel- und prismatischen Zellen entwickelte Wärme wird mit den beiden benachbarten Zellen geteilt, während zylindrische Zellen im Allgemeinen mit sechs Nachbarn geteilt werden (ungeachtet der Kanten-/Eckeneffekte).

Eine wirksame Zelle-zu-Zelle-Barriere (C2C) ist die erste Verteidigungslinie zur Bekämpfung der thermischen Ausbreitung und dient als Firewall zwischen benachbarten Zellen. Es sollte eine leitfähige Barriere, ein Isolator oder eine Firewall zwischen den Zellen sein. Beim thermischen Durchgehen besteht die Aufgabe einer C2C-Barriere darin, benachbarte Zellen vor der Triggerzelle zu schützen. Es sollte so dünn wie möglich sein, im komprimierten Zustand eine außergewöhnlich hohe Wärmebeständigkeit bieten und Temperaturen von 850 °C oder mehr standhalten.

PyroThin ist eine branchenführende Zell-zu-Zell-Barriere denn es bietet thermischen und mechanischen Schutz über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs in einem ultradünnen, leichten Format. Die einzigartige Aerogel-Technologie von Aspen ermöglicht PyroThin um sowohl als Kompressionspolster als auch als Feuerschutz zu fungieren. PyroThin ist eine abstimmbare Plattform, die an die Anforderungen an Wärme, Kompressionsverhalten und Dicke angepasst werden kann.

2. Primäre Verbrennung

Das Gasmanagement ist der Schlüssel für ein ausbreitungsfreies Design. Das Ausstoßen von Gas aus einer Zelle erfolgt in zwei Schritten:

• Primärverbrennung Alle Reaktanten für den Verbrennungsprozess kommen aus dem Inneren der Zelle. Die Primärverbrennung beginnt typischerweise innerhalb der Zelle und kann dann nach außen übergehen, wenn die Reaktanten ausgestoßen werden.
• Sekundärverbrennung tritt auf, wenn die heißen, brennstoffreichen Materialien im Inneren der Zelle herausgeschleudert werden und heftig mit der Luft im Kopfraum über den Zellen reagieren.

Das Gasmanagement ist entscheidend für die Verlängerung der Ausbreitungsverzögerungszeiten über die Fünf-Minuten-Schwelle hinaus. Ohne ordnungsgemäße Kontrolle können sich heiße Gase schnell über die Oberseite und die Seiten der Module ausbreiten, benachbarte Zellen direkt auslösen und alle anderen Schutzmechanismen kurzschließen.

3. Ausstoß heißer Partikel

Neben der Freisetzung heißer Gase aus einer außer Kontrolle geratenen Zelle kommt es häufig auch zum Ausstoß heißer Partikel mit hoher Geschwindigkeit, darunter geschmolzenes Aluminium, geschmolzene oder verkohlte Plastikteile und feste Kupferbrocken. Diese Partikel machen das Problem des Gasmanagements noch schwieriger, da sie die umliegenden Bereiche bis zu 60 Sekunden lang sowohl Hitze als auch konzentrierten Erosionsstrahlen aussetzen.

Längerfristig

Eindämmung eines Thermal Runaway-Ereignisses mit PyroThin kann so sein, als würde man ein wildes Tier fangen – es wirft die Frage auf: „Was nun?“ Die gesamte Wärmeenergie muss dennoch abgeführt werden, und es gibt mehrere Wege, auf denen sie abfließen kann. Wie unten beschrieben, muss jeder Pfad kontrolliert werden, damit nicht die gesamte enthaltene Wärme in die angrenzenden Zellen fließt.

4. Sekundäre Leitwege treten in Kraft

Da thermische Ausbreitungsereignisse länger andauern, werden sekundäre Leitungswege von entscheidender Bedeutung, und davon gibt es viele, darunter:

• Sammelschienen bestehen häufig aus Aluminium oder Kupfer und sind daher gute elektrische Leiter. Sammelschienen bieten einen Pfad von einer Zellenlasche zur benachbarten. Zell-zu-Zell-Barrieren haben keinen Einfluss auf diese Wärmebrücken, da sie nicht über das Profil einer Zelle hinausragen.
• Eine Kühlplatte, ob aktiv oder inaktiv, ist im Allgemeinen ein großes Aluminiumblech. Es bildet einen Weg, der unter einer C2C-Barriere hindurchtunnelt und diese als Wärmebrücke umgeht.

5. Natürliche Konvektion über Luftspalten

Natürliche Konvektion (im Gegensatz zur druckgetriebenen Konvektion während der aktiven Entlüftung) entsteht, wenn sich heiße Verbrennungsprodukte über und um das Modul ausbreiten und die angrenzenden Zellen direkt erhitzen.

6. Aktive Kühlung

Aktive Kühlung ist ein Joker, da das Wärmemanagementsystem eines Fahrzeugs möglicherweise nicht immer intakt und funktionsfähig ist, insbesondere in einem Szenario nach einem Unfall. Sofern verfügbar, können aktive Kühlsysteme über einen ausreichend langen Zeitraum überschüssige Wärme absorbieren und sicher abführen. Wärmemanagementsysteme sind im Allgemeinen während der ersten fünf Minuten eines thermischen Durchgehens wirkungslos, da die Wärmeerzeugungsrate die Wärmeableitungskapazität des Systems übersteigt. Über längere Zeiträume (z. B. 15, 30, 60 Minuten) ist die aktive Kühlung jedoch gut darin, die überschüssige Wärmeenergie abzuleiten und abzuleiten, was dazu beiträgt, die Wärmeausbreitung abzuschwächen.

Bei der Entwicklung einer Strategie zur Verhinderung der thermischen Ausbreitung sollten Batterieingenieure alle oben genannten Wege im Auge behalten. Bei den jüngsten Tests von Minimodulen PyroThin stoppte wiederholt die Ausbreitung des thermischen Durchgehens auf Zelle-zu-Zelle-Ebene. Die Isolierung der Zell-Zell-Leitung und der Nachweis, dass das thermische Durchgehen gestoppt werden kann, sind zwar nur ein Teil des Puzzles, ermöglichen aber eine Verlagerung des Fokus auf andere Wege.

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