Analyse und Vermeidung von thermischer Propagation in Lithium-Ionen-Batteriesystemen

Titelangaben

Becher, Daniel Mathias:
Analyse und Vermeidung von thermischer Propagation in Lithium-Ionen-Batteriesystemen.
Bayreuth , 2023 . - X, cxlix S.
( Dissertation, 2023 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006998

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Abstract

Der Absatz von Lithium-Ionen-Batterien, getrieben durch die elektrifizierte Fortbewegung mit batterieelektrischen Fahrzeugen, Elektro-Rollern und Elektro-Fahrrädern, erreicht von Jahr zu Jahr neue Rekordwerte. Auch im Bereich stationärer Speichersysteme zur Dezentralisierung der Energieversorgung sind Lithium-Ionen-Batterien beim Endverbraucher angekommen. Mit dem Ziel einer ständigen Verbesserung der Systeme im Bereich Energie- und Leistungsdichte werden von der Batterieindustrie
vermehrt Zellchemien mit maximierter Energiedichte verwendet. Diese basieren überwiegend auf thermisch empfindlichen Materialien, wodurch das Thermomanagement vor neue Herausforderungen gestellt wird. Die Sicherheit der Batteriesysteme steht dabei an oberster Stelle. Brände – resultierend aufgrund thermischer Vorkommnisse bei Elektrofahrzeugen und Heimspeichersystemen mit zum Teil katastrophalen Folgen – haben gezeigt, dass das Thema Sicherheit bei der Entwicklung aktueller Batterieprojekte neu gedacht werden muss, um etwaige Sicherheitsrisiken zu minimieren. Auslöser dieser thermischen Vorkommnisse sind meist auf Fehlerfälle einzelner Zellen (thermisches Durchgehen) und die dadurch entstehende Kettenreaktion zwischen Zellen (thermische Propagation) zurückzuführen. Jedoch können auch hard- und softwareimplementierte Schutzfunktionen das thermische Durchgehen einer Zelle nicht vollständig ausschließen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Problematik des thermischen Durchgehens und der thermischen Propagation von Zellen in Batteriesystemen.
Das Ziel dieser Arbeit ist eine grundlegende Analyse des Fehlerfalls der thermischen Propagation, um daraus die Entwicklung eines Lösungskonzepts zur Vermeidung dieser abzuleiten. Hierzu ist ein
grundlegendes Verständnis über den Ablauf des thermischen Durchgehens, der thermischen Propagation und deren Ursachen Voraussetzung. Dafür werden Kenngrößen und Eigenschaften unter Abuse-Bedingungen durch bekannte und neu entwickelte bzw. angepasste Messmethoden charakterisiert, welche als Grundlage zur Entwicklung des Lösungskonzepts dienen. Einzelne Parameter, beispielsweise die Starttemperatur des thermischen Durchgehens einer Zelle, die Gesamtenergiefreisetzung beim thermischen Durchgehen und das Propagationsverhalten von Zellen ohne die Verwendung eines Schutzkonzepts, werden anhand geeigneter Charakterisierungsmethoden bestimmt.
Daraus wird ein Lösungskonzept zur Vermeidung der thermischen Propagation erarbeitet und beschrieben, welches auf einer Separation der einzelnen Zellen durch dünne, endotherm wirkende und
hochtemperaturstabile Barrierematerialien basiert. Die Evaluation von Wirkprinzipien unterschiedlicher Barrierekonzepte zeigt zudem ‚State-of-the-Art‘-Lösungen, welche am Markt erhältlich sind. Im
Detail erfolgt die Vorstellung zweier eigens entwickelter Lösungskonzepte, welche später anhand unterschiedlicher Messmethoden charakterisiert werden.
Im experimentellen Teil werden in einem hierfür entwickelten Versuchsaufbau zwei Zellen mittels einer Barriere separiert und durch Nagelpenetration ein thermisches Durchgehen einer Zelle ausgelöst. Durch diese Versuchsanordnung lassen sich die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Barrierekonzepte, ebenso wie die am Markt erhältlichen Lösungen, charakterisieren und anschließend die Wirksamkeit aller miteinander vergleichen. Das Ziel der experimentellen Versuche ist die Demonstration einer vollständigen Unterdrückung der thermischen Propagation. Dies kann durch einen in der Arbeit entwickelten Lösungsansatz erfolgreich realisiert und gezeigt werden. Basierend auf diesem Ansatz erfolgt anhand einer Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse die Evaluation weiterer Kenngrößen (Modulkonfiguration, Alterung, Temperatur der Zellen et al.), welche das Propagationsverhalten beeinflussen können.
Im letzten Kapitel der Arbeit wird der experimentelle Versuchsaufbau durch die Erstellung eines Matlab Simulink Modells modellbasiert abgebildet. Die Parameteridentifikation der Barriere erfolgt durch
die Anpassung von Parametern der thermischen Analyse. Die Parameterbestimmung von relevanten Zellkenngrößen erfolgt anhand der thermischen Impedanzspektroskopie, wodurch die Parametrisierung des Modells ermöglicht wird. Das Ergebnis der Simulation zeigt eine quantitative Nachbildung der Temperaturwerte der erfolgten experimentellen Versuche.

Abstract in weiterer Sprache

The strongly increasing use of lithium-ion batteries, driven mainly by battery electric vehicles, electric scooters and electric bicycles, is reaching new record sales figures from year to year. In the field of stationary energy storage, lithium-ion based systems have also reached the market. With the aim of continuously improving the systems in terms of energy and power density, the battery industry is moving to cell chemistries with maximized energy density, mostly based on thermally sensitive materials, which poses new challenges for thermal management.
The safety of battery systems is the top priority. Incidents with electric vehicles and stationary energy storage, with partly catastrophic consequences have shown that the topic of safety must be rethought in the development of current battery projects in order to minimize any safety risks in connection with thermal runaway and thermal propagation in battery systems. However, all hardware and software implemented protection features cannot completely eliminate the thermal runaway of
a cell. The aim of this work is a basic analysis of the failure case in order to derive the development of a solution concept to avoid thermal propagation in battery systems. First, a basic understanding of the
thermal runaway process, thermal propagation and its parameters is developed and presented. The further course of the work characterizes selected parameters and properties of abuse conditions by known, newly developed or adapted measurement methods, which serve as a basis for the development of the solution concept. Parameters such as the starting temperature of the thermal runaway of a cell, the total energy distribution during thermal runaway or the propagation behavior between cells without the use of a protection concept are characterized.
Further, the solution concept for avoiding thermal propagation is presented, which provides a separation of the individual cells by thin, endothermically acting and highly temperature stable barrier
materials. In the following part, the operating principles of different barrier concepts are presented and evaluated. This is followed by the presentation of two solution concepts in detail, which are characterized in the hereafter chapter based on different measurement methods.
In the experimental part of the work, two cells are separated by a barrier and one cell is driven into thermal runaway by nail penetration. This experimental setup allows to characterize the developed barrier concepts and solutions, which are available on the market to compare their effectiveness. The aim of the study is to demonstrate the possibility of a complete suppression of the thermal propagation, which can be successfully realized by a solution approach. With the approach, the evaluation of further parameters (module configuration, aging, temperature of the cells and others) which can influence the propagation behavior is carried out in further experiments using different setups.
In the last chapter of the thesis, a model-based approach by Matlab Simulink is developed to describe the experimental setup. Therefore, a parameter identification of the barrier by fitting the parameters from the thermal analysis allows the description of the barrier based properties. The parameter determination of relevant cell parameters is achieved by the use of thermal impedance spectroscopy. Both results allows the parametrization of the model for the simulation process. The simulation results show a quantitative replication of the temperature values of the experimental tests.