Überblick

Da immer mehr durch Lithium-Ionen-Batterien verursachte Unfälle passieren, machen sich die Menschen mehr Sorgen über thermisches Durchgehen der Batterie, da das in einer Zelle auftretende thermische Durchgehen die Wärme auf andere Zellen übertragen kann, was zur Abschaltung des gesamten Batteriesystems führt.

Traditionell lösen wir bei Tests ein thermisches Durchgehen durch Erhitzen, Festklemmen oder Überladen aus. Diese Methoden können jedoch weder das thermische Durchgehen in einer bestimmten Zelle kontrollieren, noch können sie einfach bei Tests von Batteriesystemen implementiert werden. In letzter Zeit wird eine neue Methode entwickelt, um ein thermisches Durchgehen auszulösen. Der Ausbreitungstest in der neuen IEC 62619:2022 ist ein Beispiel, und es wird geschätzt, dass diese Methode in Zukunft weit verbreitet sein wird. In diesem Artikel werden einige neue Methoden vorgestellt, die derzeit erforscht werden.

Laserstrahlung:

Bei der Laserstrahlung wird ein kleiner Bereich mit hochenergetischen Laserimpulsen erhitzt. Die Wärme wird in das Materialinnere geleitet. Laserstrahlung wird häufig in den Bereichen der Materialbearbeitung wie Schweißen, Verbinden und Schneiden eingesetzt. Im Allgemeinen gibt es folgende Laserarten:

• CO₂Laser: Kohlendioxid-Molekulargaslaser
• Halbleiterlaser: Diodenlaser aus GaAs oder CdS
• YAG-Laser: Natriumlaser aus Yttrium-Aluminium-Granat
• Optische Faser: Laser aus Glasfaser mit Seltenerdelement

Einige Forscher verwenden Laser mit 40 W, 1000 nm Wellenlänge und 1 mm Durchmesser, um Tests an verschiedenen Zellen durchzuführen.

Bei einem CT-Scan der nicht ausgelösten Zelle kann festgestellt werden, dass außer dem Loch in der Oberfläche kein struktureller Einfluss vorliegt. Das bedeutet, dass der Laser gerichtet und leistungsstark ist und der Heizbereich präzise ist. Daher ist der Laser eine gute Möglichkeit zum Testen. Wir können die Variable steuern und die Eingangs- und Ausgangsenergie genau berechnen. Mittlerweile bietet der Laser die Vorteile des Erhitzens und Fixierens, z. B. schnelles Erhitzen, und ist besser kontrollierbar. Laser hat weitere Vorteile wie:

• Es kann ein thermisches Durchgehen auslösen und erwärmt die Nachbarzellen nicht. Dies ist gut für die thermische Kontaktleistung

• Es kann zu interner Knappheit führen

• Es kann in kürzerer Zeit weniger Energie und Wärme zuführen, um ein thermisches Durchgehen auszulösen, wodurch der Test gut unter Kontrolle ist.

Thermit-Reaktion:

Die Thermitreaktion besteht darin, dass Aluminium bei hoher Temperatur mit Metalloxid reagiert und Aluminium in Aluminiumoxid übergeht. Da die Bildungsenthalpie von Aluminiumoxid sehr niedrig ist (-1645 kJ/mol), wird viel Wärme erzeugt. Thermitmaterial ist durchaus erhältlich und unterschiedliche Formeln können unterschiedliche Wärmemengen erzeugen. Forscher beginnen daher mit Tests mit einem 10-Ah-Beutel mit Thermit.

Thermit kann leicht ein thermisches Durchgehen auslösen, der Wärmeeintrag ist jedoch nicht leicht zu kontrollieren. Forscher wollen einen thermischen Reaktor entwickeln, der versiegelt ist und Wärme konzentrieren kann.

Hochleistungs-Quarzlampe:

Theorie: Stellen Sie eine Hochleistungs-Quarzlampe unter eine Zelle und trennen Sie Zelle und Lampe mit einer Platte. Die Platte muss mit einem Loch gebohrt werden, um die Energieleitung zu gewährleisten.

Der Test zeigt, dass es eine sehr hohe Leistung und lange Zeit benötigt, um ein thermisches Durchgehen auszulösen, und dass die Thermik nicht gleichmäßig verteilt ist. Der Grund könnte sein, dass Quarzlicht kein gerichtetes Licht ist und der zu große Wärmeverlust dazu führt, dass es kaum präzise ein thermisches Durchgehen auslöst. Mittlerweile ist der Energieeintrag nicht genau. Der ideale Thermal Runaway-Test besteht darin, die Auslöseenergie zu kontrollieren und den überschüssigen Eingangswert zu senken, um den Einfluss auf das Testergebnis zu verringern. Daher können wir den Schluss ziehen, dass eine Quarzlampe vorerst nicht sinnvoll ist.

Abschluss:

Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zum Auslösen eines thermischen Durchgehens von Zellen (wie Erhitzen, Überladen und Durchdringen) ist die Laserausbreitung eine effektivere Methode mit kleinerer Heizfläche, geringerer Eingangsenergie und kürzerer Auslösezeit. Dies trägt zu einem hohen effektiven Energieeintrag auf der begrenzten Fläche bei. Diese Methode wurde von der IEC eingeführt. Wir können davon ausgehen, dass viele Länder diese Methode in Betracht ziehen werden. Allerdings stellen sie hohe Anforderungen an Lasergeräte. Es erfordert eine geeignete Laserquelle und strahlungssichere Geräte. Derzeit gibt es nicht genügend Fälle für den Thermal Runaway-Test, diese Methode muss noch verifiziert werden.