Testmethodik und empirische Beschreibung der Nagelpenetration von Lithium-Ionen-Batterien

Die Verbreitung von Lithium-Ionen-Batterien (LiB) in der täglichen Anwendung steigt in starkem Maße an. Mit der steigenden Nutzungszahl sowie der weiterhin ansteigenden speicherbaren Energie pro Zelle vergrößert auch das Risiko von Fehlerfällen in der Nutzungsphase. Zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs von LiB ist es somit essentiell, die Reaktionen im Fall des thermischen Durchgehens zu kennen sowie diese in einem sicheren und reproduzierbaren Verfahren zu erproben.
Diese Forschungsarbeit leistet einen signifikanten Beitrag zum Verständnis von äußeren Einflussparametern sowie der reproduzierbaren Durchführung von Nagelpenetrationstests. Zudem wurde in der vorliegenden Arbeit auf Basis einer reproduzierbaren Testmethodik ein Ansatz entwickelt, der die Vorhersage von Testergebnissen des Nagelpenetrationstests auf Basis von einfachen mathematischen Gleichungen ermöglicht.
Die Variation von Umgebungsparametern bei der Testdurchführung ermöglicht das tiefgehende Verständnis der ablaufenden Reaktionen des thermischen Durchgehens von LiB. Wird die Kompression einer Zelle zwischen zwei planparellel Platten bei der Nagelpenetration erhöht, zeigt sich eine spätere, dafür aber stärkere Reaktion. Der Spannungsabfall läuft in kürzerer Zeit ab, wodurch die Zelloberflächentemperaturen steigen. Hingegen bewirkt eine Vergrößerung des Nageldurchmessers von 2 auf 5 mm weder eine Änderung des Spannungsabfalls, der Zelloberflächentemperaturen oder der Produktkonzentrationen der infrarot aktiven Gase. Eine Veränderung der freien aktiven Lithium-Ionenkonzentrationen in der Anode, durch Variation des State of Charge oder auch State of Health, bedingt bei Erhöhung eine Verstärkung und bei Verringerung eine Minderung der Heftigkeit der Reaktionen. Die messbaren Zelloberflächentemperaturen steigen bei Erhöhung der Lithium-Ionenkonzentration stetig an, wodurch sich die Gasproduktkonzentrationen von vermehrter Elektrolytverdampfung (EC, EMC, DMC) zu Zersetzungsprodukten (CO2, CO, lineare Kohlenwasserstoffe) verschiebt. Auf Basis der ermittelten Zusammenhänge durch die Umgebungsparametervariationen wurde eine reproduzierbare Testmethodik zur Nagelpenetration mit geringer Standardabweichung entwickelt. Mit steigender Wichtigkeit durch die zunehmende Anwendung kann zudem die Möglichkeit zur Vorhersage von Ergebnissen des thermischen Durchgehens betrachtet werden. Durch Anwendung der entwickelten Testmethodik und Verwendung von LiB unter Variation von Kapazität (1 bis 3 Ah) und Kathodenmaterialien (NMC 111, NMC 622 und NCA) konnte eine mathematische Beschreibung der Auswirkungen des thermischen Durchgehens mittels linearer und nicht-linearer Gleichungen entwickelt werden. Es werden sowohl direkte Zellparameter als auch indirekte Zellparameter für die Beschreibung verwendet. Mit der entwickelten Skalierungsmethodik kann die Anzahl der notwendigen Tests für valide Ergebnisse verringert es können Testergebnisse von Zellen im Skalierungsbereich vorhergesagt werden.