Untersuchung des Verhaltens von Tiefgekühlten Lithium-Ionen-Zellen Bei Kritischer Beschädigung

Abstract

Lithium-ion batteries (LIBs) are essential for a successful energy transition. However, the thermal runaway (in German thermisches Durchgehen, TD) of LIBs poses a signifcant safety risk. In particular, regulating the transportation of damaged LIBs is a major challenge for the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM). Thus, the development of a transportation option that completely suppresses TD is of high interest.

Herein, the infuence of low temperatures on the inertization of LIB-cells is investigated. In order to induce a critical damage at defned low temperatures, a high-precision nail penetration tool was developed, which also allows rapid freezing of LIB cells during nail penetration (NP). In the NP-tests, both the infuence of the cell parameters and the infuence of the test conditions, such as nail geometry and speed, on the TD-parameters are discussed in detail.

During NP-tests at -80 °C, none of the LIB-cells investigated reveal any self-heating. This indicates complete inertization of the cells. A subsequent analysis of the thawing behavior allows to determine the so-called cell-specific initial reaction temperature (IRT), at which an initial self-heating can be detected. Intriguingly, it is possible to generate critically defective but functional cells by removing the nail before rethermalization to room temperature. These cells apparently showed only a locally restricted TD. Furthermore, in-situ synchrotron X-ray tomography studies establish a link between specific voltage signals and local TD-reactions in critically damaged LIB-cells. Based on the NP experiments, a non-destructive test was developed to determine the IRT. Further investigations revealed that there is a generally valid correlation between the IRT and the conductivity of the respective LIB-cell.

Overall, this work provides the basis for realizing a safe, yet economical cooled transport of LIBs in the future.

Alternate abstract:

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind essenziell für eine erfolgreiche Energiewende. Jedoch stellt das thermische Durchgehen (TD) von LIBs ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Insbesondere die Regulierung des Transports von beschädigten LIBs ist eine große Herausforderung für die Bundesanstalt für Materialforschung und - prüfung (BAM). Daher ist die Entwicklung einer Transportmöglichkeit, die ein TD vollständig unterdrückt, von hohem Interesse.

In dieser Arbeit wird der Einfuss von tiefen Temperaturen auf eine Inertisierung von LIB-Zellen untersucht. Um bei defnierten tiefen Temperaturen eine kritische Schädigung zu induzieren, wurde ein Präzisionsnageltool entwickelt, welches auch das rapide Einfrieren von LIB-Zellen während der Nagelpenetration (NP) erlaubt. Bei den NP-Versuchen wird sowohl der Einfuss der Zellparameter als auch der Einfuss der Versuchsbedingungen, wie Nagelgeometrie und -geschwindigkeit, auf die TD-Kenngrößen detailliert diskutiert.

Bei NP-Versuchen bei -80 °C zeigte keine der hier untersuchten LIB-Zellen eine Erwärmung. Dies deutet auf eine vollständige Inertisierung der Zellen hin. Eine anschließende Analyse des Auftauverhaltens ermöglicht die Bestimmung der sogenannten zellspezifschen initialen Reaktionstemperatur (IRT), bei welcher eine erste Erwärmung zu erkennen ist. Herauszustellen ist die Möglichkeit durch ein Entfernen des Nagels vor dem Auftauen kritisch defekte, aber funktionsfähige Zellen zu generieren. Diese Zellen zeigten anscheinend ein lokal begrenztes TD. Darüber hinaus wird durch in-situ Synchrotron-X-Ray Tomographie Untersuchungen ein Zusammenhang zwischen spezifschen Spannungssignalen und lokalen Reaktionen in kritisch geschädigten LIB-Zellen hergestellt. Auf Grundlage der NP-Versuche wurde außerdem ein zerstörungsfreier Test zur Ermittlung der IRT entwickelt. Weiterführende Untersuchungen ergaben, dass ein allgemeingültiger Zusammenhang zwischen der IRT und der Leitfähigkeit der LIB-Zellen existiert.

Generell liefert diese Arbeit den Grundstein, um zukünftig einen sicheren, aber dennoch wirtschaftlichen gekühlten Transports von LIB zu realisieren.