Thermisches Durchgehen eines 6,85-kWh-Modules aufgebaut aus NMC-Pouchzellen
Quelle: BAM FB 2.1
Eine wesentliche Herausforderung der Energiewende besteht in der kurzfristigen Zwischenspeicherung elektrischer Energie. Eine mögliche Lösung liegt in der Errichtung von stationären Energiespeichern auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien. Zur Erhöhung der Nachhaltigkeit sollen dafür schwerpunktmäßig Second-Life-Module verwendet werden, welche zuvor bereits in Automobilanwendungen im Einsatz waren. In diesem Zusammenhang sind jedoch viele sicherheitstechnische Fragestellungen noch nicht abschließend beantwortet. Kommt es z.B. zum thermischen Durchgehen einer einzelnen Zelle ist es notwendig, dieses möglichst frühzeitig zu detektieren, um eine Ausbreitung auf benachbarte Zellen oder Module zu verhindern. Ebenso ist in diesem Zusammenhang zu klären, wie die Propagation des thermischen Durchgehens zwischen Modulen bzw. einzelnen Speicherbereichen wirksam verhindert werden kann. Weitere Unklarheiten gibt es hinsichtlich der Bewertung von stationären Batteriespeichern in Bezug auf den baulichen Brandschutz sowie die Prozess- und Anlagensicherheit.
Die fachlich fundierte Beantwortung dieser Fragestellungen erfordert experimentelle Untersuchungen im Realmaßstab. Dazu wurde im Rahmen des BMBF-Vorhabens SEE-2L (Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in Second Life Anwendungen, FKZ 13N15493) auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM ein Großversuchsstand entwickelt und aufgebaut.
Der Beitrag beschreibt die experimentellen Ergebnisse der ersten Versuchsserie. Dabei wurden Versuche zum thermischen Durchgehen in verschiedenen Größenordnungen, angefangen von Einzelzellen bis hin zu Modulen mit einem Energieinhalt von 6,85 kWh, durchgeführt. Um das thermische Durchgehen zu initiieren, wurden die Speicher typischerweise thermisch geschädigt. Neben dem Temperaturverlauf an den Modulen und in der Umgebung wurde der Massenabbrand sowie die Zusammensetzung des austretenden Gases gemessen. Des Weiteren konnte über ein Diodenlaserspektrometer der Gehalt von Fluorwasserstoff in der Gasfreisetzung in situ bestimmt werden.
Die Ergebnisse ermöglichen eine fundierte Einschätzung des Gefährdungspotentials von Batteriespeichern beim thermischen Durchgehen. Anhand dieser können zielführende Schutzmaßnahmen getroffen werden, wodurch das Sicherheitsniveau zukünftig errichteter Anlagen erhöht werden kann.
Harmful effects of lithium-ion battery thermal runaway: scale-up tests from cell to second-life modules
Rico Tschirschwitz, Christopher Bernardy, Patrick Wagner, Tim Rappsilber, Christian Liebner, S.-K. Hahn, U. Krause
veröffentlicht in RSC Advances, Band 13, Ausgabe 30, Seiten 20761 - 20779.
BAM Abteilung Prozess- und Anlagensicherheit
BAM Fachbereich Sicherheit von Energieträgern
BAM Abteilung Bauwerkssicherheit
BAM Fachbereich Technische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen