Thermal Runaway: Batterie und Akku-Schutz

In der Herstellung von Batterien und Akkus für die Elektromobilität gibt es große Herausforderungen. Ein großes Thema in der Schutz der Batterie und der Akkus vor dem Thermal Runaway.

Thermisches Durchgehen (engl. thermal runaway) bezeichnet die Überhitzung einer exothermen chemischen Reaktion oder einer technischen Apparatur aufgrund eines sich selbst verstärkenden Wärme produzierenden Prozesses. Ein Durchgehen führt häufig zu Brand oder Explosion und bewirkt infolgedessen eine Zerstörung der Apparatur durch Überdruck (Zerbersten).

Was ist thermisches Durchgehen in Batterien?

Thermisches Durchgehen ist ein dynamisches Phänomen. Eine EV-Batterie, bei der es zu einem thermischen Durchgehen kommt, kann auf verschiedene Weise reagieren, z. B. mit einer strahlförmigen Flamme, die aus der Batterie herausbricht. In Verbindung mit der Flamme stößt die Batterie Partikel aus, die das Schutzgehäuse erodieren können. Im Inneren des Gehäuses bauen diese brennenden Gase Druck auf. Daher ist es wichtig, das Gehäuse zu testen, um zu beurteilen, wie das Material auf die Kombination aus hoher Temperatur, Druck und ausgestoßenen Batteriepartikeln reagiert.

Kommt es in einem Lithium-Ionen-Akkumulator mit flüssigem, festem oder gebundenem Elektrolyt (Lithium-Polymer-Akkumulator) zu einem lokalen Kurzschluss der internen Elektroden, beispielsweise durch eine Verunreinigung des Separators durch einen eingeschlossenen Fremdpartikel oder eine mechanische Beschädigung, kann der Kurzschlussstrom durch den inneren Widerstand die nähere Umgebung der Schadstelle so weit aufheizen, dass die umliegenden Bereiche ebenfalls in Mitleidenschaft gezogen werden. Dieser Prozess weitet sich aus und setzt die im Akkumulator gespeicherte Energie in kurzer Zeit frei. Besonders gefährdet sind Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren. Solche Thermal Runaways wurden als Ursache für die in der Vergangenheit verstärkt aufgetretenen Brände bei Laptop-Akkus verantwortlich gemacht. Auslöser waren vermutlich Fertigungsfehler in Verbindung mit Schwankungen in der Betriebstemperatur.

Wie kommt es zum thermischen Durchgehen einer Lithium-Ionen-Batterie?

Mehrere Faktoren können zum thermischen Durchgehen eines Lithium-Ionen-Akkus führen:

• interner Kurzschluss: Durch einen Unfall oder eine ähnliche mechanische Einwirkung, z. B. wenn ein Werkzeug aus großer Höhe herunterfällt, wird die Batterie verformt, Material dringt in die Batteriezelle ein und löst einen internen Kurzschluss aus.
• externer Kurzschluss: Die Verformung der Batteriezelle verursacht einen externen Kurzschluss.
• Überladung der Batterie über die im Datenblatt angegebene Maximalspannung hinaus, z. B. um die Reichweite eines Elektroautos zu erhöhen. Je nach Grad der Überladung kann die Batterie dauerhaft geschädigt werden und die Lebensdauer der Batterie sinkt.
• überhöhte Ströme beim Laden oder Entladen der Batterie, z. B. beim Schnellladen.

Was kann gegen das thermische Durchgehen getan werden?

Kühlung

Flüssigkeitskühlsysteme, Lüfter, Wärmeleitplatten und Wärmeleitfolien müssen zum Einsatz gebracht werden, um die Batterie zu kühlen oder die Wärme von einem Hotspot abzuleiten.

Um die Wärme effektiv abzuführen, ist eine wärmeleitende Folie empfehlenswert. Eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit (bis zu 1950W/mK) bieten  dünne (10µm bis 500 µm) Graphitfolien.

Barriere-Bildung

Starre Glimmerfolien und Glimmerlaminate können verwendet werden, um Barrieren zwischen den Batteriezellen in Batterien und Akkus zu schaffen und das System vom Rest des Fahrzeugs zu isolieren. Sollte es zu einem thermischen Durchgehen kommen, können die Barrieren dazu beitragen, den Prozess zu verlangsamen, so dass die Nutzer mehr Zeit haben, sich in Sicherheit zu bringen.

Eine Barriere kann auch mit 3M™ Flame Barrier FRB gebildet werden. 3M™ Flame Barrier FRB lässt sich gut zu Stanzteilen verarbeiten und verfügt über verschiedene Zulassungen.

Ein thermisches Durchgehen kann nicht vollständig verhindert oder gestoppt werden, wenn der Prozess einmal begonnen hat, aber die Implementierung der richtigen Isolierungslösung kann dazu beitragen, den Insassen mehr Zeit zu verschaffen, was möglicherweise Leben retten kann.

Einsatz Membranen

Der Einsatz von Membranen zum Druckabbau in Batterien und Akkus hat sich ebenfalls bewährt.