Größere Sicherheit für Lithium-Ionen-Batterien

Bei unsachgemäßer Nutzung oder bei Produktionsfehlern können Lithium-Ionen-Batterien in Brand geraten. Das ist zwar selten, aber nicht ausgeschlossen. Das Forschungsprojekt VentBatt entwickelt Maßnahmen, um die Sicherheit zu erhöhen.
Bild: EST / TU Clausthal

… durch ein ventilgesteuertes Gas- und Thermomanagement.

Das nationale Verbundprojekt VentBatt wird vom Bundesforschungsministerium mit 1,5 Millionen Euro gefördert. Die Koordination des Vorhabens liegt beim Forschungszentrum Energiespeichertechnologien der TU Clausthal.

Als Energiespeicher sind Lithium-Ionen-Batterien (LIB) derzeit für viele Anwendungen konkurrenzlos und finden sich daher in nahezu allen Lebensbereichen in großer Anzahl wieder. Bei missbräuchlicher Behandlung oder Produktionsfehlern können sie jedoch erhebliche Energiemengen freisetzen. Dieses führt zur Entwicklung hohen Drucks und sehr hohen Temperaturen sowie der Freisetzung toxischer, explosionsfähiger und brennbarer Gase, den sogenannten Thermal Runaway (TR). Durch sehr heiße Partikel, die mit dem Gasstrom aus dem Zellinneren nach außen geführt werden oder beim Überschreiten bestimmter Temperatur- und Konzentrationsgrenzen kann dann eine (Selbst-)Entzündung der Gase an Luft und/oder sogar eine Explosion erfolgen. Die Auswirkungen eines TR auf die unmittelbare Umgebung, insbesondere beim Übergreifen auf weitere Zellen, als thermische Propagation bezeichnet, sind erheblich.

Ziel des Projekts VentBatt ist daher die Minimierung bzw. Vermeidung von Risiken in Zusammenhang mit dem Betrieb von LIB durch Reduzierung der Temperatur und Konzentration der ausströmenden Gase unter die sicherheitskritischen Schwellenwerte sowie die Vermeidung einer Thermischen Propagation durch Verminderung der Wärmeerzeugungsrate der Zelle, die einen TR erleidet. „Das Projektziel entspricht somit der Umsetzung der klassischen Prinzipien der Brandvermeidung: Unterschreitung der Zündtemperatur sowie Vermeidung einer brennbaren Gas- und Sauerstoffmischung“, so der Projektleiter Dr. Ralf Benger vom federführenden Forschungszentrum Energiespeichertechnologien (EST) der TU Clausthal. Dazu werden im Rahmen des Vorhabens Maßnahmen entwickelt und untersucht, die durch ein kontrolliertes Gas- und Thermomanagement eine Erhöhung der Sicherheit von LIB ermöglichen.

Mit den industriellen Projektpartnern aus ganz Deutschland werden dazu drei Konzepte komplementär betrachtet. Mit der Firma Frötek Kunststofftechnik aus Osterode wird insbesondere die gezielte Druckentlastung über Ventile in den Zellgehäusen erforscht und erprobt, mit der Teubert Maschinenbau GmbH aus Blumberg (Südschwarzwald) wird durch Nutzung von Partikelschäumen eine Minderung der Temperatur und Erniedrigung der Konzentration der brennbaren Gase auf ein Maß unterhalb der Brand- und Explosionsgrenzen umgesetzt. Mit der BorgWarner Akasol GmbH aus Darmstadt erfolgt das optimierte Design eines Batteriesystems einschließlich Gehäuse und Strömungsführung für die ausströmenden Gase unter der Beachtung von Propagationsbarrieren durch Isolationsmaterial, verbesserter Wärmeleitung und/oder forcierter Kühlung. Die Umsetzung auf ein kommerzielles Zellformat wird mit der Firma UniverCell Holding GmbH aus Flintbek verfolgt. Das EST koordiniert das Gesamtvorhaben, unternimmt die theoretischen Betrachtungen und führt die experimentellen Sicherheits-Untersuchungen im Batterietestzentrum durch. Gefördert wird das Projekt mit insgesamt 1,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Technische Universität Clausthal
Forschungszentrum Energiespeichertechnologien EST
Dr.-Ing. Ralf Benger
Telefon 05321 3816-8067
E-Mail: ralf.benger@tu-clausthal.de
https://www.est.tu-clausthal.de/

http://www.tu-clausthal.de

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