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Wie lässt sich thermisches Durchgehen in Lithium-Ionen-Akkus verhindern?

| Autor / Redakteur: Andreas Mangler, Roland Hofmann * / Margit Kuther

Schemadarstellung: thermischesn Modell einer LFP-Zelle beim Laden
Schemadarstellung: thermischesn Modell einer LFP-Zelle beim Laden (Bild: Saw et al.)

Als Kernkomponente von Elektrofahrzeugen bestimmen Akkus maßgeblich deren Reichweite, Lade- und Lebensdauer. Lesen Sie, warum Entwickler die Spezifikationen des Hersteller einhalten sollten.

Der im Industriemarkt und in Elektro- sowie Hybridfahrzeugen am häufigsten eingesetzte Akkutyp ist der Lithium-Ionen-Akku. Er verfügt über eine erheblich höhere Energiedichte und Spannung als andere Energiespeicher bei kleineren Abmessungen. Er erlaubt mehr Ladezyklen und hat eine längere Lebensdauer. Doch der Lithium-Ionen-Akku hat einen engen Arbeitsbereich: Werden die vom Hersteller der Akkuzelle angegebenen Lade- und Entladeströme, Zellspannung und Temperatur überschritten, kann sich die Lebensdauer deutlich verkürzen; er kann nachhaltig geschädigt werden oder es entsteht gar ein Thermal Runaway (thermisches Durchgehen).

Beim Thermal Runaway wird der Akku mit Überscheiten einer Temperaturgrenze sehr schnell sehr warm. Die Hitze löst weitere Reaktion aus, so dass innerhalb von Millisekunden unaufhaltsam mehrere hundert Grad erreicht werden – der Akku entzündet sich bzw. explodiert. Ab welcher Temperatur ein Thermal Runaway entsteht, hängt von der Akkuzelle ab und von den Faktoren, die den Temperaturanstieg verursacht haben.

Kritisch kann es bereits ab 60°C werden. Mögliche Ursachen sind ein interner oder externer Kurzschluss sowie zu hohe Ströme beim Laden oder Entladen.

Da Hersteller von Li-Ionen-Akkuzellen zunehmend auf thermisch instabilere Materialien setzen, um die Nachfrage nach größeren Reichweiten zu erfüllen, steigt die Gefahr eines Thermal Runaways. Unternehmen, die Li-Ionen-Akkuzellen nutzen, müssen deshalb detailliert angeben, in welcher Applikation diese zum Einsatz kommen.

Diese Angaben sind ebenso zu unterschreiben wie das Datenblatt der Akkuzelle und eine Erklärung zur Produktnutzung. Damit verpflichten sie sich, den Akku ausschließlich in ihrem spezifizierten Bereich zu nutzen. Um sicher zu stellen, dass dieser nicht verlassen wird – und um einen Thermal Runaway auszuschließen – ist eine Reihe von Maßnahmen erforderlich.

Mechanische Stabilität und Thermomanagement von Li-Ionen-Akkus

Bereits die mechanischen Eigenschaften der Akkuzelle spielen dabei eine Rolle. Denn ein Kurzschluss kann entstehen, indem Material in eine Akkuzelle eindringt oder sie verformt wird. Zylindrische Li-Ionen-Akkuzellen sind durch ihre Metallhülle sehr stabil, zudem schützt die feste Hülle das Zellinnere. Auch elektrisch ist dieser Zelltyp relativ stabil, da Anode und Kathode durch den gewickelten Separator mehrfach getrennt sind.

Bei der Konstruktion der Batteriemodule und -Packs ist auf mechanische Stabilität zu achten. So kann es ratsam sein, dass diese eine gewisse Größe bzw. Zellenanzahl nicht überschreiten. Der entscheidende Faktor beim Thermal Runaway ist die Temperatur. Ihre exakte Überwachung sowie ein wirkungsvolles Thermomanagement sind deshalb essenziell. Die Herausforderung besteht darin, dass die Temperatur nur an der Oberfläche der Akkuzelle gemessen werden kann, nicht in ihrem Inneren. Von der Außentemperatur lässt sich jedoch nur mit einem thermischen Modell der Akkuzelle auf ihre Innentemperatur schließen.

Hinzu kommt, dass auch das Zellinnere nicht überall gleich warm ist. Bei einem Experiment der National University Singapur zeigte sich beim Laden bzw. Entladen mit fünffachem Nominalstrom folgende Verteilung: An der Außenhaut wurden 56 °C erreicht. Richtung Zellkern stieg die Temperatur zuerst auf über 60 °C, um dann wieder etwas abzusinken. Am Pluspol entstand ein Hotspot mit ca. 65 °C. Eine Überschreitung der kritischen Temperaturgrenze im Zellinneren kann von außen also nur dann erkannt werden, wenn das thermische Modell der Zelle vorliegt.

Doch selbst dann ist Vorsicht geboten: Die im Experiment gemessenen Temperaturen haben sich von denen der Simulation zum Teil deutlich unterschieden, meist lagen die tatsächlichen Werte über den simulierten. Dies ist besonders kritisch, da schon eine geringe Abweichung ausreichen kann, um plötzlich und unaufhaltsam einen Thermal Runaway auszulösen. Da dieser Prozess sehr schnell abläuft, empfehlen sich unbedingt Temperatursensoren mit kurzer Reaktionszeit von wenigen Sekunden, etwa von Rohm, Sensirion oder STMicroelectronics.

Richtige Kühlung für Batteriemodul und -Pack

Thermal Runaway: Ergebnisse einer durch TR hervorgerufenen Überladung eines kommerziellen Lithium-Ionen-Akkus
Thermal Runaway: Ergebnisse einer durch TR hervorgerufenen Überladung eines kommerziellen Lithium-Ionen-Akkus (Bild: Fenga et al.)

Zusätzlich gilt es, auf der Ebene des Akkumoduls und -Packs Hotspots zu vermeiden. Dies beginnt bei der Anzahl und Anordnung der Zellen. Für das Akkumodul hat die National University Singapur ebenfalls Versuche durchgeführt (jeweils beim Laden mit dreifachem Nominalstrom). Dabei war die Temperaturverteilung bei einem Aufbau mit 24 Akkuzellen in einer Reihe relativ gleichmäßig. Durch den Einsatz eines Lüfters stiegen die Temperaturunterschiede jedoch deutlich an: Wird nur ein Temperatursensor pro Modul genutzt, besteht die Gefahr, einen kritischen Hotspot nicht zu detektieren.

Trotzdem empfiehlt es sich, Batteriemodule mit einem Lüfter auszustatten. So erreichte die Temperatur im Experiment bei einem Modul aus 3 x 8 Zellen im Inneren über 60 °C, mit Lüfter konnte sie auf ca. 38 °C reduziert werden. Bei einem Modul mit 5 x 5 Zellen wurde der Hotspot sogar über 63 °C warm, mit Lüfter waren es nur noch rund 33 °C.

Weitere Versuche mit verschiedenen Zellanordnungen und Lüfterpositionen wiesen teils überraschende Temperaturverteilungen auf. Die Anordnung der Zellen wie auch die Platzierung des Lüfters sollten deshalb auf exakten Messungen durch mehrere Temperatursensoren und Berechnungen beruhen. Geeignete Lüfter bieten z.B. JAMICON und DELTA. Sie sind mit Abmessungen zwischen 2 cm bis 14 cm bei einer Höhe von 10 mm bis 38 mm klein genug, einige werden zudem mit Pulsweitenmodulation (PWM), Drehzahlmessung, Tacho-Signal, automatischem Wideranlauf oder kundenspezifischem Stecker geliefert.

Thermoleitfolien als Alternative zu Lüftern

Eine Alternative zu Lüftern ist die Thermoleitfolie PGS (Pyrolytic Graphite Sheet) von Panasonic. Sie ist mit bis zu 1950 W/mK fünfmal so leitfähig wie Kupfer. Durch die geringe Dicke von bis zu 100 µm lässt sie sich auch in kleine Zwischenräume anbringen. In einem Versuchsaufbau, in dem die Akkuzellen auf einem Kühlblech montiert und jeweils durch ein PGS getrennt waren, wurde die Temperatur so von 61 °C auf 45 °C reduziert. Darüber hinaus hat Panasonic eine Isolierfolie entwickelt, die verhindert, dass ein Thermal Runaway von einer Batteriezelle auf die Nachbarzellen übergreift. Durch ihre extrem geringe thermische Leitfähigkeit von 0,02W/mK fungiert diese NASBIS-Folie als Isolierung.

Das Thermomanagement für den Akkupack ist noch komplexer, wie eine Simulation des Guangzhou Institute of Energy Conversion der Chinese Academy of Sciences (CAS) zeigt. Hierbei wurde das thermische Verhalten eines Batteriepacks bei Ladezuständen (State of Charge, SoC) zwischen 0,1 und 0,9 sowie Ladeströmen von 0,5 C bis 5 C (C = Nominalstrom / Entladerate) simuliert. Das Akkupack bestand aus 7104 zylindrischen 18650 Li-Ionen-Zellen und war mit einer Flüssigkühlung versehen. Bei der Simulation wurde das Batteriepack während des Ladens bei geringen Ladeströmen am heißesten, nicht bei hohen.

Zudem ändert sich die Temperatur mit dem Ladezustand. So erwärmte sich das Akkupack am meisten bei SoCs von 0,3 und 0,9 und einem Ladestrom von 0,5 C. Bei gleichem Ladestrom und einem SoC von 0,6 hingegen blieb die Temperatur gering. Bei dem höchsten simulierten Ladestrom von 5 C blieb das Akkkupack in jedem Ladezustand relativ kühl. Während des Entladens (s. Schaubild) hingegen zeigt das Akkupack ein anderes Verhalten: Bei einem DOD von 0,1 (Depth of Discharge) bleibt die Temperatur niedrig, auch bei hohen Strömen. Mit zunehmendem Ladezustand (DOD 0,3 - 0,8) stieg die Temperatur, um bei einem DOD von 0,9 wieder zu sinken.

Das heißt: Entscheidende Faktoren für die Erwärmung des Akkupacks sind Ladezustand (SOC) bzw. Tiefentladung (DOD) sowie Lade- bzw. Entladeströme. Dabei unterscheidet sich das thermische Verhalten des Akkupacks beim Laden von dem beim Entladen. Es zeigt also ein mehrfach nichtlineares Verhalten, auf das das Thermomanagement und der Ladevorgang abgestimmt sein muss, um kritische Temperaturen – und damit einen Thermal Runaway – auszuschließen.

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* Andreas Mangler ist Director Strategic Marketing & Communications

* Roland Hofmann ist Product Sales Manager Thermomanagement, beide bei Rutronik Elektronische Bauelemente

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