Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien

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FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien

Sicherheit von

Lithium-Ionen Batterien

Jens Grabow

Dr. Ralf Benger

11. April 2019 - Wiesbaden

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Die Lithium-Ionen Batterie findet in einer

Vielzahl von Produkten Anwendung

„Mobil und wiederaufladbar“

Handys, Tablets, Laptops, Power-Tools

Motivation

Quelle: https://www.eu9.com/wp-content/uploads/Stihl-MSA-

200-C-BQ-Carving-Akku-Kettensaege-Motorsaege-Lithium-Ion-

PRO-EU9-1200.jpg

Quelle:

https://d3nevzfk7ii3be.cloudfront.net/igi/J

WCS3PHnITsAmBVa.full

Jens Grabow3


Quelle oben: https://assets.t3n.sc/news/wp-

content/uploads/2016/09/volkswagen-vw-id-

meb.jpg?auto=compress%2Cformat&fm=jpg&ixlib=php-

1.1.0&q=65&w=940&s=cae2ddf44f1ecd874f3226492a0dc3a3

Quelle unten:

https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/none/path/se0529733

762b573b/image/ie44542797d20af20/version/1455698456/image.jpg





E-Mobilität

E-Bike, Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Motivation

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E-Mobilität


Stationäre Speicher

Netzstabilität, Pufferbatterie, Homespeicher

Motivation

Quelle: http://www.naturenergieladen.de/images/IMG_1325.jpg

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E-Mobilität


Stationäre Speicher

Netzstabilität, Pufferbatterie, Homespeicher

Spezial Anwendungen

Militär, Luft-und Raumfahrt

Motivation

Quelle: Eric Darcy, “Design Guidelines for Safe, High Performing Li-ionBatteries with 18650 cells,” Petten, Netherlands, Mar. 8 2018

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Luftfahrt

Cargo

Bekannte Fehlerfälle

Quelle: https://www.gannett-

dn.com/media/2017/03/22/USATODAY/USATODAY/63625792692

7318239-UPS-LITHIUM.JPG?width=1080&quality=508.02.2006

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Luftfahrt

Cargo

Boing DreamLiner


7.01.2013Quelle oben: https://cdn-images-1.medium.com/max/1200/1*4TA61TK-aL-mw6Nl2iQoiA.jpeg

Quelle unten: http://cdn1.spiegel.de/images/image-450318-860_poster_16x9-ynye-450318.jpg

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Luftfahrt

Cargo

Boing DreamLiner

Handy :

Samsung Galaxy Note S7


Quelle: https://www.android-iphone-recovery.com/wp-

content/uploads/2016/10/samsung-galaxy-s7-fire-burning-

300x300.jpgHerbst 2016

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Luftfahrt

Cargo

Boing DreamLiner

Handy :

Samsung Galaxy Note S7

Elektrofahrzeug

Tesla Model S


Quelle oben: https://infinitediaries.net/wp-

content/uploads/2018/09/Tesla-Model-S-Fire-Poland-2-hero.jpg

Quelle unten:

https://electrek.co/wp-content/uploads/sites/3/2017/10/screen-

shot-2017-10-18-at-1-46-41-pm-

e1508351385743.jpg?quality=82&strip=all&w=1600

z.B.16.12 2018

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Ebenen der Batteriesicherheit

1. Zellchemie 2. Zellaufbau

3. Systemebene 4. Anwendung


Anwender

Zellhersteller

[1]

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Funktionsweise der Lithium-Ionen Batterie

[2]

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Falsche Betriebsführung und äußere Störeinflüsse (Trigger)

Betrieb außerhalb der spezifizierten Betriebsbedingungen

Mangelhafte Überwachung kritischer Parameter (Redundanz)

Mangelnder mechanischer Schutz

Unzureichendes Kühlkonzept

Schlechte Fertigungsqualität

Separatorqualität mangelhaft oder nach Verbau mechanisch geschwächt

Verunreinigungen in den Aktivmaterialien

Elektroden unbalanciert

SEI-Schicht mangelhaft ausgebildet

Fehlerursachen

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Fehlerfälle von Lithium-Ionen Batterien

zunehmende

Reaktions-

geschwindigkeit

Exotherme

Reaktion

Temperatur-

erhöhung

Wärmeabfuhr Fehlerfall

T1:Selbsterwärmung

T2:Thermisches Durchgehen

T1:Selbsterwärmung

T3:Maximale

Temperatur

Zeit in s

Te

mp

era

tur

in C

°

Te

mp

era

tur

in C

°

Zeit in s

[3]

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mechanisch

Produktions-fehler

Nagel Penetration

Zerdrücken

Elektrisch initiierte Nebenreaktion

elektrisch

Externer Kurzschluss

Überladung

Hoher Strom

thermisch

Tiefenentladung

Externe Erwärmung

Li-Abscheidung

Cu Auflösung

Li Dendrit

Cu Dendrit bei Ladung

Seperatordurchstochen

erzeugt

Schmelzen des

Separators -

Degradation/Regeneration

der SEI +

Elektrolyt-Zersetzung +

Thermisch initiierte Nebenreaktion

Kurzschluss

JoulischeWärme

Reaktions-enthalpie

BinderZersetzung +

Kathoden-Zersetzung +

Wärmebilanz

T ↑ oder – T ↓

Kühlleistung

Parameter

können verursachen

Separator aufgerissen

[eigene Darstellung]

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Mechanisch

Explosion (Masse, Druck, Bersten)

Chemisch

Austritt des Elektrolyten (korrosiv und brennbar)

Freisetzung von brennbaren und giftigen Gasen (Rauchentwicklung)

Thermisch

Hitzeentwicklung

Brand

Ausgehende Gefährdungen - Zelle

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Mischung verschiedener organischer und anorganischer Substanzen:

Flusssäure (HF) [4] :

20-200 mg/Wh 100 kWh können 2-20 kg freisetzen

Über 800.000 m3 zur Verdünnung notwendig (IDL-2)

Im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen etwas höher

Weitere:

CO2, CO, H2, C2H4, CH4, C2H6 ,C3H6 und verschiedene Aromaten

Durch Brand werden diese Stoffe zumindest teilweise oxidiert

Kritisch in geschlossenen Räumen (Parkgarage, Tunnel)

Gefahr durch austretende Stoffe

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Video Überladungsversuch

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Video Überladungsversuch

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Ladezustand

Zellkomponenten (Zellchemie, Additive, Schutzmechanismen)

Bauform und Zellgröße

Zellumgebung (Kühlsystem, Wärmequellen, Atmosphäre)

Einflussfaktoren

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Ebenen der Batteriesicherheit



Zellhersteller

Anwender

[1]

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Sicherungskonzepte

Normal

betriebFehler

eintritt

Fehler-

fortsetzung

kritischer

Fehler

Vorbeugender

SchutzDetektieren Eingreifen Eindämmen

Kaskadierend

Software:

Überwachung der Betriebsparameter, Abschaltung, Warnsignale

Hardware:

Sicheres mechanisches, elektrisches und thermisches Design

Zellinterne Schutzeinrichtungen (Additive, Berstventil, PTC, CID)

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Eignung verschiedener Löschmittel

• Wasser

• Wasser mit

Löschmittelzusätzen

• Feuerlöschgel

• Sand

• Schaum

• CO2

• ABC - Pulverlöscher

Entzug von

Wärme !

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Nach Havarie einzelner Zellen bestehen zusätzliche Gefährdungen:

Zellen befinden sich unter Umständen in kritischem Zustand

Elektrische Gefährdung - Offene Kontakte unter Spannung (U > 60V)

Ausgehende Gefährdungen - Systeme

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Allgemeine Hinweise:

Lithium-Ionen-Zellen nicht mit konventionellen Ladegeräten laden

Transport und Lagerung bei ca. 30% Ladezustand

Trockene Raumluft

Entfernt von brennbaren Materialien

Sichtprüfung und Bewertung des Zustandes

Im Havariefall ausreichend lüften

Handlungsempfehlung

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Arbeiten mit Lithium-Ionen Batterien:

Wärmeeintrag minimieren (Löten, Schweißen)

Beschriftung (Typ: z.B. Zellchemie)

Zellen elektrisch isolieren

Auf korrekte Polarität achten

Handlungsempfehlung

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Zusammenfassung



Zellhersteller

Anwender

[1]

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Weltweit >1 Milliarde Zellen in der Verwendung!

Lithium-Ionen Batterien sind im normalen Betrieb relativ

sicher

Jedoch ist die Auswirkung eines Fehlers erheblich.

Fazit

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Vielen Dank für die

Aufmerksamkeit!

Fragen?

Jens Grabow29


Bilder:

[1]:

• Bernhard Rieger, „Methodik zur Simulation des mechanischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Zellen“, Dissertation, TUM, München,

2016.

• https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi77-

fHsujhAhXGGuwKHagACFwQjRx6BAgBEAQ&url=https%3A%2F%2Fwww.volkswagen-newsroom.com%2Fde%2Fbatterie-

3634&psig=AOvVaw32-1193H38w1vF4Vv7aR0I&ust=1556183802953163

• https://german.alibaba.com/product-detail/a123-lifepo4-20ah-primatic-pouch-battery-cell-60158522994.html

• Jeff Gelb, Zeiss Micoscopy, CA, USA: „Imaging the 4D Microstructure Evolution of a Commercial 18650 Li-ion Battery”, May 2018

• https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi54s_KuOjhAhVH46Q

KHeMOCIAQjRx6BAgBEAQ&url=https%3A%2F%2Fde.fotolia.com%2Fid%2F90554791&psig=AOvVaw0iU6vfL2_p896mdKBnX_lT&

ust=1556185393307493

[3]:

• Liu, Xiang; Ren, Dongsheng; Hsu, Hungjen; Feng, Xuning; Xu, Gui-Liang; Zhuang, Minghao et al. (2018): Thermal Runaway of Lithium-Ion Batterieswithout Internal Short Circuit. In: Joule. DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.015.

[5]:

• Lithium Battery Thermal Runaway Vent Gas Analysis, Federal Aviation Administration, William J. Hughes, Technical Center New Jersey

Quellen

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Video:• [2] Ausschnitt aus : https://www.youtube.com/watch?v=p8ecZ5oK7Fc

Daten:• [4] JRC exploratory research: Safer Li-ion batteries by preventing thermal propagation, Workshop Pretten (NL), 2018

Quellen

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Backup

[5]

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