Thermisches Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien: Was ist daran so schlimm?

Die Gefahr am thermischen Durchgehen  

Wenn Sie in den letzten Jahrzehnten geflogen sind, wurden Sie sicherlich auf die Gefahr von Lithium-Ionen-Batterien an Bord von Flugzeugen aufmerksam gemacht: spontane Verbrennung von Laptop-Akkus im Gepäckraum, Smartphones, die zwischen den Sitzen eingeklemmt sind und Feuer fangen (Sie wissen schon, das ganze „Bewegen Sie Ihren Sitz nicht, rufen Sie eine Flugbegleiterin“ Spiel). Aber was ist an Lithium-Ionen-Batterien so gefährlich 

Das liegt an der Physik, der Chemie und an einer wichtigen inhärenten Einschränkung, die in vielen Batteriekonfigurationen vorhanden ist – dem thermischen Durchgehen. Die Gefahr des thermischen Durchgehens bleibt ein großes Sicherheitsproblem, nicht nur für Fluggesellschaften, sondern auch für eine Vielzahl anderer Branchen, einschließlich des aufkeimenden Sektors der batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge. Doch während der Unvorhersehbarkeit einer Katastrophe durch Lithium-Ionen-Batterien den Durchschnittsverbraucher in Angst und Schrecken versetzen kann, sind die Chemie und Physik des thermischen Durchgehens kein Geheimnis. Tatsächlich ist der Prozess ziemlich gut verstanden. Lassen Sie uns eintauchen. 

Eine Autobatterie, bei der es zu einem thermischen Durchgehen kam. Quelle: Adobe Stock

Die Kettenreaktion

Werfen wir zunächst einen Blick auf den Begriff selbst. Das „thermisch“ im „Thermischen Durchgehen“ bezieht sich auf die Wärmeenergie, die bei den stattfindenden chemischen Reaktionen entsteht. Eine chemische Reaktion, die Wärmeenergie erzeugt, nennen Chemiker eine „exotherme“ Reaktion – eine Reaktion, bei der der Prozess der Umwandlung von Elementen in Produkte durch das Aufbrechen und die Neubildung chemischer Bindungen Wärme freisetzt. Und „Durchgehen“? Nun, zufälligerweise (und das ist fast immer der Fall) werden chemischen Reaktionen, die bei einem thermischen Durchgehen ablaufen, durch Wärme gefördert und sogar beschleunigt. Wie Sie gleich sehen werden, beginnen die chemischen Reaktionen bei einer bestimmten Temperaturschwelle – „Thermal-Runaway-Temperatur“ – unkontrolliert zu steigen. 

Um welche chemische Reaktion handelt es sich hier also? Im Allgemeinen handelt es sich um die Zersetzung der Batterieelektroden, d. h. des Kathoden- und des Anodenmaterials  das letztere ist ein Oxid von Lithium, das erstere in der Regel Graphit oder eine Lithiumlegierung. Diese Zersetzungsreaktionen sind die exothermen (wärmefreisetzenden) Reaktionen, die zum thermischen Durchgehen führen. Bei Vorhandensein von übermäßiger Hitze kann die Zersetzung von Anode und Kathode selbsterhaltend werden, d. h. die durch die Reaktion erzeugte Wärme reicht aus, um die Reaktion selbst aufrechtzuerhalten.  

Kritische Temperaturen

In der Welt der Batteriechemie sprechen die Ingenieure gerne von zwei kritischen Temperaturen: Die Temperatur der selbstbeschleunigenden Zersetzung (SADT) und die Temperatur des thermischen Durchgehens. Die SADT bezieht sich auf die niedrigste Temperatur, bei der sich die Reaktion selbst aufrechterhalten kann. Das heißt, dass die Batterie, wenn sie sich selbst überlassen wird, schließlich außer Kontrolle gerät und eine Art katastrophale Verbrennung auslöst. Bevor dies geschieht, sind die Raten dieser Zersetzungsreaktionen jedoch noch langsam genug, um durch aktive Kühlmechanismen eine katastrophale Zerstörung der Batterie zu verhindern – z. B. durch Ableitung der überschüssigen Wärme, Eintauchen in ein Eisbad usw.

Wie ein thermisches Durchgehen in einer Zelle zur Zerstörung der gesamten Batterie führen kann. Quelle: hbfuller.com

Sobald jedoch die thermische Durchbruchstemperatur erreicht ist, lässt sich der thermische Durchbruch buchstäblich nicht mehr aufhalten und eine Kaskadenreaktion beginnt. Die Temperatur steigt weiter an, da chemische Energie in thermische Energie umgewandelt wird, und sobald eine bestimmte Zündschwelle erreicht ist, kommt es zur Verbrennung. Dies breitet sich von Zelle zu Zelle weiter aus, bis die gesamte Batterie in Rauch (oder Flammen) aufgeht. In einer Studie wurden die SADT- und die Thermal-Runaway-Temperatur für gängige Batteriematerialien (Lithium-Kobalt-Oxid-Kathode und Lithium-Hexafluorophosphat-Anode) mit 66,5 °C bzw. 75 °C1 angegeben (152 °F und 167 °F). 

Hitze & Kurzschlüsse

Wie könnte nun die Wärme entstehen, die ein thermisches Durchgehen auslöst? Nun, der schnellste Weg dorthin ist ein Kurzschluss innerhalb der Batterie, d. h. ein direkter Pfad von der Kathode zur Anode. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Die unvermeidlichste ist eine stumpfe mechanische Verformung, wie z. B. das vollständige Zerquetschen des Telefons zwischen den Flugzeugsitzen, oder, wie unten abgebildet, ein Durchstoßen. Häufiger, aber leichter zu erkennen und zu beheben sind Herstellungsfehler, wie der Rückruf von fast 10 Millionen Sony-Laptop-Akkus im Jahr 2006 oder das jüngste FAA-Verbot für Samsung Note7-Telefone auf Flügen nach dem Rückruf von einigen Millionen Geräten im Jahr 2017 gezeigt hat.  

Thermisches Durchgehen in einer Lithium-Ionen-Batterie. Quelle: Journal of Power Sources

Aber selbst wenn wir eine perfekt gefertigte, pannensichere Batterie ohne Kurzschlüsse hätten, gäbe es immer noch das Problem der Hitze. Die Umgebungswärme ist hier ein offensichtlicher Konstruktionsaspekt (Batterien schneiden auch bei kälteren Temperaturen schlecht ab, was auf verschiedene Effekte zurückzuführen ist). Aber die durch das Laden verursachte Wärme ist auch eine der wichtigsten konstruktiven Beschränkungen, mit denen sich Batterieingenieure heute auseinandersetzen müssen. Und je schneller man versucht, eine Batterie zu laden, desto mehr Wärme wird erzeugt. Da die Attraktivität und Realisierbarkeit von Elektrofahrzeugen in hohem Maße von ihrer vergleichbaren „Ladezeit“ abhängt (als Alternative zu Verbrennungsmotoren, bei denen das Aufladen Minuten dauert), ist die Abschwächung dieser Wärmeentwicklung zu einem der Hauptschwerpunkte der Batterieingenieure geworden.  

Die drei notwendigen Komponenten für die Verbrennung: Brennstoff, Sauerstoff und eine Zündquelle. Brennstoff typischerweise in Form einer brennbaren Flüssig-/Gelelektrolytlösung, Sauerstoff von der sich zersetzenden Kathode (und Anode, wenn es sich um ein Oxid handelt) und Zündung durch Wärme. Quelle: Adobe Stock

Lösungen für Thermal Runaway & Schnellladung

Das Hauptaugenmerk auf das Wärmemanagement und die Suche nach einer Kühlungslösung, die schnelles Laden ermöglicht, hat die Ingenieure von LION Smart dazu veranlasst, bei der Entwicklung der LIGHT Battery eine Technologie namens Immersionskühlung einzusetzen. Im Wesentlichen erfüllt sie die hohen thermischen Anforderungen des ultraschnellen Ladens (Ladezeiten, die denen konventioneller Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor entsprechen) durch eine effizientere Wärmeabfuhr. Im Prinzip bringt die Tauchkühlung das flüssige Kühlmittel aktiv mit den einzelnen Wärmequellen – den Zellen selbst – in Kontakt. Sie bringt zwar viele neue konstruktive Herausforderungen mit sich, verspricht aber, das Schnellladen zur Realität werden zu lassen und die Elektromobilität greifbarer zu machen als je zuvor. 

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie LION Smart das Schnellladen zur Realität werden lässt, lesen Sie bald den nächsten Artikel über Eintauchkühlung und Wärmemanagement.  

Autoren:

Wyatt Boyd

Wade Million