Battery Abuse Testing - Zerstörende Batterieprüfung in der Umweltsimulation
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Battery Testing
Von hohen Temperaturen bis zur Explosion
Lithium-Ionen-Batterien Energiespeicher der Zukunft
Lithium-Ionen-Batterien haben sich als eine der führenden Energiespeichertechnologien etabliert und sind in einer Vielzahl von Anwendungen weit verbreitet, einschließlich tragbarer Elektronikgeräte, Elektrofahrzeuge, stationärer Energiespeicherung und erneuerbarer Energiesysteme. Ein Bericht von MarketsandMarkets prognostiziert, dass der Markt für Lithium-Ionen-Batterien bis 2025 einen Wert von 94,4 Milliarden US-Dollar erreichen wird, was einem jährlichen Wachstum von etwa 16,2% entspricht. Insgesamt bieten Lithium-Ionen-Batterien viele Vorteile als leistungsstarke und effiziente Energiequelle. Es ist jedoch wichtig, dass wir uns bewusst sind, dass es auch potenzielle Gefahren gibt, die mit ihrer Verwendung und Handhabung verbunden sind und dass geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um diese Risiken zu minimieren.
Die Zertifizierung von Lithium-Ionen-Batterien
Die Zertifizierung von Lithium-Ionen-Batterien erfolgt durch unabhängige Organisationen, die Tests durchführen, um die Konformität mit den einschlägigen Standards und Vorschriften zu bestätigen. Diese Tests umfassen in der Regel Tests auf thermische Stabilität, Schock, Vibration, Überladung, Kurzschluss, mechanische Penetrations- oder Integritätsprüfungen und andere Gefahren. Die Tests werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Batterien sicher sind und keine Gefahren für den Benutzer oder die Umwelt darstellen.
Was sind Battery Abuse Tests überhaupt?
Es werden eine Reihe von Tests für das Inverkehrbringen von Batterien und den Einsatz in automobilen Anwendungen vorausgesetzt. Die Testbedingungen sind in den einschlägigen Normen und Standards (national oder international) festgelegt. Batterietests werden auf Zell-, Modul-, Pack- oder Fahrzeugebene durchgeführt. Grundsätzlich kann bei der Batterieprüfung zwischen Performance- und Alterungstests, Umweltsimulationstests sowie Sicherheitstests unterschieden werden.
Bei den Sicherheitstests, auch Missbrauchstests (Abuse Tests) genannt, wird die Batterie Bedingungen außerhalb dem eigentlichen Betriebsfenster ausgesetzt. Battery Abuse Tests sind zerstörende Sicherheitstests an Batterien. Ein Beispiel für eine zerstörende Sicherheitsprüfung ist ein Überladungstest, bei dem die Batterie auf eine höheren Spannung geladen wird als normalerweise empfohlen. Dies kann dazu führen, dass sich die Batterie überhitzt und möglicherweise ausfällt oder explodiert. Ein weiterer Test ist das sogenannte "Nailing", bei dem die Batterie mit einem spitzen Gegenstand durchstochen wird. Durch diese Testart, sollen die Zellen gezielt in den Event gebracht werden, um festzustellen wie schnell der Event auf andere Zellen übergreift. Durch den Nagel wird ein „interner“ Kurzschluss erzeugt. Dieser soll Partikel nachbilden, die während der Produktion in die Zelle gelangen können und so gegebener Zeit die Elektroden intern kurzschließen.
Diese sogenannten Battery Abuse Tests gehen üblicherweise mit einem thermischen Durchgehen (engl. Thermal Runaway), d.h. Brand bzw. Explosion, einher. Die Batterie wird absichtlich überladen, überhitzt oder beschädigt, um zu prüfen, wie sie auf diese extremen Bedingungen reagiert. Der Zweck dieser Art von Test ist es, das Verhalten der Batterie unter extremer Belastung zu untersuchen, um sicherzustellen, dass sie sicher und zuverlässig ist und keine Gefahren darstellt - Insbesondere in Anwendungen, bei denen sie potenziell gefährliche Situationen verursachen können, wie zum Beispiel in elektrischen Fahrzeugen oder tragbaren elektronischen Geräten. Durch zerstörende Tests kann das Risiko von Unfällen und Bränden minimiert werden und somit eine höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet werden. Sie sind außerdem Voraussetzung für das Inverkehrbringen und der Entwicklung von neuen Batterien.
Umweltauflagen und ein zunehmendes Bewusstsein für Arbeitssicherheit verhindern Tests in freier Umgebung oder alten, leerstehenden Behausungen (Bunker, Hangar) ohne eine anschließende Abgasaufbereitung. Sie können somit nicht Bestandteil eines professionellen Testkonzepts mit reproduzierbaren Umgebungsbedingungen sein.
Thermisches Durchgehen zu heiß für die Lithium-Ionen-Zelle.
Eine Lithium-Ionen Batterie wird i.d.R. im Bereich bis zu 100°C sicher betrieben, ohne dass es zu nachhaltigen Auswirkungen kommt. Erhöht sich das Temperaturlevel darüber hinaus, beginnen im Inneren der Batterie entsprechende Zersetzungsreaktionen. Ab einer Temperatur von ca. 120 °C kommt es zunächst zur Zersetzung der sogenannten Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase (SEI – Solid Electrolyte Interphase) und wenig später zur allmählichen Auflösung des Seperatormaterials zwischen Anode und Kathode. In Abhängigkeit der Zellzusammensetzung einer Batterie, entstehen ab einem Temperaturbereich von 160°C…200°C exotherme Reaktionen. Dieses Temperaturlevel ist zugleich charakteristisch für den Beginn des thermischen Durchgehens (engl. thermal runaway) der Batterie. Das Erreichen dieses Zustands hängt bei Lithium-Ionen Batterien in erster Linie von der Art des Zellversagens (Missbrauchsbedingung) sowie der Zellzusammensetzung ab, da hierdurch die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit innerhalb der Batteriezelle maßgeblich beeinflusst wird.
Bei einem Temperaturanstieg von 10 K/s geht man von einem thermischen Durchgehen aus. Wenn dieser Zustand erreicht ist, kann eine unkontrollierbare Wärmefreisetzung nicht mehr unterbunden werden, d.h. die entstehende Wärme kann nicht mehr in ausreichendem Maß abgeführt werden. Die anfallende Wärmeenergie führt dazu, dass die exothermen Reaktionen weiterhin beschleunigt werden. Aufgrund des Temperaturanstiegs in der Batterie bildet sich ein hoher Druck aus, der ab einem gewissen Druckniveau zu einem Bersten der Batterie führt. In diesem Zustand strömt heißes Gas (Venting Gas) aus der Batterie und wird durch die hohe Zelltemperatur entweder direkt gezündet oder kurze Zeit später, wenn die Mindestzündenergie vorhanden ist, nachgezündet. Da bei den Zersetzungsreaktionen ein Reaktionsprodukt u.a. Sauerstoff ist, wird der Verbrennungsvorgang aufrecht erhalten. Es lassen sich daher lediglich die Auswirkungen des Brands eindämmen. Eine vollständige Löschung des Brands ist nicht möglich.
Zerstörende Prüfungen in der Umweltsimulation
| 1. Mechanischen Prüfungen | |
| Bei den mechanischen Prüfungen dringt ein Gegenstand in die Batterie ein oder traktiert diese (mechanische Integrität). Beispielsweise wird untersucht, inwiefern sich eine Nagelpenetration (interner Kurzschluss) oder eine Quetschung (Crash) auf die Funktionsfähigkeit und das sicherheitstechnische Verhalten der Batterie auswirkt. | |
| 2. Thermischen Prüfungen | |
| Bei den thermischen Prüfungen werden die Batterien umgebenden Tief- bis Übertemperaturen ausgesetzt, wobei insbesondere die Übertemperaturprüfungen in den meisten Fällen zum thermischen Durchgehen führen. Hierbei wird die umgebende Luft auf bis zu 200°C oder noch höher erwärmt, welche die Batterie nach einer gewissen Zeit durch Wärmeübertragungsvorgänge auf ein kritisches Temperaturlevel anhebt. | |
| 3. Elektrischen Prüfungen | |
| Bei den elektrischen Prüfungen werden unterschiedliche kritische Szenarien geprüft, die im Zusammenhang mit der umgebenden elektrischen Peripherie vorliegen können. Beispielsweise wird hierbei ein Kurzschluss erzeugt (externer Kurzschluss) oder die Batterie bewusst auf einem höheren Spannungslevel überladen. Dadurch erwärmt sich die Batterie und geht ebenfalls rasch in einen kritischen Zustand über. | |
Zur Ermittlung eines adäquaten Testsystems ist es entscheidend welche Art von Tests durchgeführt und welche Auswirkungen durch den Batterieprüfling beim Test zu erwarten sind. Daraus leitet sich das Gefährdungspotenzial ab, welches von „keiner Gefahr“ bis hin zur Explosion mit Schadgasen variiert.