Thermal Propagation in Lithium-Ionen Batterien

Die Arbeit untersucht das Thermal Runaway (TR) und die Thermal Propagation (TP) von großformatigen Lithium-Ionen-Pouchzellen im automobilen Einsatz. Hintergrund sind stark variierende Intensitäten und Eintrittszeiten der Propagation trotz gleicher Initialisierung auf Batterieebene. Zunächst wird die Reaktivität einzelner Zellen mithilfe neu entwickelter Prüfstände zur Nagelpenetration analysiert. Dabei werden verschiedene Parameter wie Ladezustand sowie vorangehende Lade- und Entladezyklen berücksichtigt und durch ARC-Messungen bestätigt. Es zeigt sich, dass fabrikneue Zellen zunächst zyklisiert werden müssen, um eine signifikante TR-Reaktion zu erzeugen, und dass ein Ladezustand von mindestens 40 % erforderlich ist. Für die Untersuchung der Thermal Propagation wird ein eigener Prüfstand entwickelt. Drei Trigger-Methoden (Nagelpenetration, Heizer, Überladen) werden verglichen. Nagelpenetration und Heizer erweisen sich als geeignet, Überladen hingegen nicht. Für weitere Versuche wird die Nagelpenetration verwendet. Die Ergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit der Propagation von Ladezustand und Temperatur: Mit steigendem Ladezustand verkürzen sich die Propagationszeiten deutlich und die Maximaltemperaturen steigen erheblich. Der Einfluss der Starttemperatur ist dagegen vergleichsweise gering. Zusätzlich werden Lichtbogenphänomene im beim TR freigesetzten Gas untersucht. Die ermittelte Paschenkurve zeigt ein geringeres Überschlagsverhalten als Luft. Für realitätsnahe Untersuchungen werden daher Tests mit partikelhaltigem Ventinggas durchgeführt. Insgesamt liefert die Arbeit wichtige Erkenntnisse zur Reaktivität, Propagationscharakteristik und elektrischen Gefährdung bei Thermal-Runaway-Ereignissen von Pouchzellen im Automobilbereich.