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Lithium Ionen Batterien: Wie lässt sich ein Thermal Runaway verhindern?

Erstellt von Andreas Mangler, Director Strategic Marketing & Communications Roland Hofmann, Product Sales Manager Thermomanagement beide Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH |

Nach einem Unfall in der Schweiz Feuer hat ein Tesla gefangen, der Fahrer ist dabei ums Leben gekommen. Im Silicon Valley hat die Batterie eines verunglückten Tesla tagelang immer wieder neu angefangen zu brennen. Beides Mal war von einem Thermal Runaway der Lithium Ionen Batterie die Rede. Was ist ein Thermal Runaway und wie lässt sich dieses Risiko reduzieren?

Im Tesla wie in den meisten anderen Elektroautos, E-Bikes, E-Scootern, elektrischen Gabelstaplern, aber auch in Elektrowerkzeugen sind Lithium Ionen Batterien als Energiespeicher verbaut. In der Regel handelt es sich dabei um Batteriepacks. Sie bestehen aus mehreren Batteriezellen und einem Batteriemanagementsystem.

Das Batteriemanagementsystem stellt sicher, dass der Akku seinen spezifizierten Arbeitsbereich nicht verlässt. Hierfür müssen äußerst präzise die Lade- und Entladeströme, die Zellspannung und die Temperatur gemessen werden. Im Hinblick auf den Thermal Runaway, auch thermisches Durchgehen genannt, ist die Temperatur entscheidend.

Lithium Ionen Batterien haben einen engen Arbeitstemperaturbereich zwischen +15 und +45°C. Die funktionale Sicherheit, Lebensdauer und Zyklenfestigkeit der Batteriezelle - und damit auch die funktionale Sicherheit des Akkus und des Gesamtsystems Elektroauto oder Elektrowerkzeug - hängen wesentlich davon ab, dass die Batteriezelle diesen Bereich nicht verlässt. Übersteigt die Temperatur eine kritische Marke, kommt es zum Thermal Runaway.

Was ist ein Thermal Runaway?

Beim Thermal Runaway der Lithium Ionen Batterie wird eine unaufhaltbare Kettenreaktion in Gang gesetzt. Dabei steigt die Temperatur innerhalb von Millisekunden extrem an und die im Akku gespeicherte Energie wird schlagartig freigesetzt. So entstehen Temperaturen um 400°C, der Akku wird gasförmig und es kommt zu einem Brand, der mit herkömmlichen Mitteln kaum zu löschen ist. Die Gefahr eines Thermal Runaways beginnt ab 60°C und wird ab 100°C extrem kritisch. Ab wann der Akku tatsächlich Feuer fängt, hängt von der Ursache ab.

Wie entsteht ein Thermal Runaway einer Lithium Ionen Batterie?

Mehrere Faktoren können zum thermischen Durchgehen einer Lithium Ionen Batterie führen:

  • Interner Kurzschluss: Durch einen Unfall oder eine ähnliche mechanische Einwirkung, z.B. wenn ein Werkzeug aus größerer Höhe herunterfällt, verformt sich die Batterie, Material dringt in die Batteriezelle und löst einen internen Kurzschluss aus.
  • Externer Kurzschluss: Durch die Verformung der Batteriezelle entsteht ein äußerer Kurzschluss.
  • Überladen des Akkus über die im Datenblatt angegebene Maximalspannung hinaus, z.B. um für ein Elektroauto mehr Reichweite zu gewinnen. Je nach Grad der Überladung kann der Akku nachhaltig geschädigt werden, die Lebensdauer der Batterie sinkt.
  • Zu hohe Ströme beim Laden oder Entladen des Akkus, z.B. beim Schnellladen.

Wie lässt sich das Risiko reduzieren?

Um die Gefahr eines Thermal Runaways zu minimieren, muss die mechanische und thermische Stabilität des Akkus gewährleistet sein. Hierfür sorgen entsprechende Überwachungsmechanismen der Batteriezellen und des Batteriepacks.

Batteriezelle

Die Überwachung der Batteriezelle ist entscheidend, weil ein Thermal Runaway hier entsteht und im Domino-Effekt auf andere Batteriezellen, den gesamten Akku und schließlich das gesamte Elektroauto bzw. Elektrowerkzeug übergreifen kann.

Zylindrische 18650 Lithium Ionen Batteriezellen bringen bereits gute mechanische und thermodynamische Eigenschaften mit:

- Ihr Metallmantel macht sie robust und fungiert als Kühlkörper.

- Der gewickelte Aufbau trennt Anode und Kathode mehrfach und erhöht so die Sicherheit.

Weitere Pluspunkte: Sie sind relativ kostengünstig und lange im selben Formfaktor verfügbar. Hochwertige zylindrische 18650 Lithium Ionen Batteriezellen bietet Weltmarktführer Samsung SDI.

Doch auch bei den 18650 Lithium Ionen Akkus kann es zum Thermal Runaway kommen. Deshalb ist ein Thermomanagement essenziell. Da ein Thermal Runaway in kürzester Zeit ausgelöst wird und dann nicht mehr zu stoppen ist, sind beim Aufbau der Lithium Ionen Batterie neben umfassendem Thermodynamik-Knowhow schnelle und präzise Messungen entscheidend. Entsprechende Sensoren gibt es z.B. von Rohm, Sensirion und STMicroelectronics. Etwa der STS3x von Sensirion hat eine Reaktionszeit von nur zwei Sekunden bei einer Genauigkeit von bis zu +/- 0,1°C. Idealerweise befinden sich drei Temperatursensoren an jeder Batteriezelle, als Minimum empfiehlt sich ein Sensor pro Batteriezelle plus ein bis zwei Sensoren pro Batteriepack.

Batteriepack

Beim Batteriepack spielt die Anzahl und Anordnung der Batteriezellen eine große Rolle:

- 24 Lithium-Ionen-Zellen in einer Reihe: relativ gleichmäßige Temperaturverteilung

- 3 x 8 Lithium-Ionen-Zellen: Hotspot im Inneren

- 5 x 5 Lithium-Ionen-Zellen: Hotspot mit höherer Temperatur im Inneren

Um den Akku zu kühlen, bzw. Wärme von einem Hotspot abzuleiten, stehen Flüssigkühlungen, Lüfter, Thermoleitbleche und Wärmeleitfolien zur Verfügung.

Lüfter gibt es in Größen von 2cm bis 14cm bei Höhen zwischen 10mm und 38mm, einige mit integrierter Pulsweitenmodulation (PWM), Drehzahlmessung, Tacho-Signal oder automatischem Wideranlauf. Viele Modelle von Jamicon oder Delta sind auch mit kundenspezifischen Steckern lieferbar.

Entscheidend beim Einsatz von Lüftern ist neben der Anordnung der Batteriezellen auch die des Lüfters. Versuche haben gezeigt, dass es beim Entladen des Akkus mit 1-fachem, 2-fachem und 3-fachem Nominalstrom zu überraschenden Temperaturverteilungen kommt und gefährliche Hotspots entstehen können. Deshalb reicht es beim Aufbau einer Batterie mit Lüfter nicht, sich auf Vermutungen zu stützen, vielmehr sollten exakte Messungen durchgeführt oder bestehende Untersuchungen genutzt werden.

Um Wärme effektiv abzuführen, empfiehlt sich eine Wärmeleitfolie. Eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit (bis 1950W/mK) hat das dünne (10µm bis 100µm) und leichte PGS (Pyrolytic Graphite Sheet) von Panasonic.

Um außerdem die Wärme an den Hotspots zu reduzieren, bietet sich zusätzlich zum PGS die NASBIS Isolierfolie an. Zwischen den Batteriezellen angebracht, verhindert die NASBIS Folie, dass ein Thermal Runaway von einer Batteriezelle auf die Nachbarzellen und den gesamten Akku übergreift. Mit 0,02W/mK hat sie eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Luft und dient so als Wärmeschutz. Auch die NASBIS Folien sind extrem dünn und flexibel und damit auch bei beengten Platzverhältnissen einsetzbar.

Expertenwissen zu Lithium Ionen Batterien

Alles, was man für eine Lithium Ionen Batterie braucht - Batteriezellen, Temperatursensoren, Lüfter, Wärmeleitfolien, Isolierfolien und alle anderen Komponenten für das Batteriemanagementsystem - sowie umfassendes Expertenwissen zu Lithium Ionen Batterien finden Entwickler bei Rutronik. In eigenen Forschungen und Untersuchungen sowie gemeinsam mit Universitäten und Hochschulen hat Rutronik umfangreiche Forschungsarbeit zur Funktionsweise von Batteriezellen, den Aufbau von Akkus und der Optimierung des Batteriemanagementsystems geleistet. Diese Expertise gibt der Distributor gerne an seine Kunden weiter.

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