06.07.2023 • Energie

Größere Sicherheit für Lithium-Ionen-Batterien

Verbundprojekt sucht nach Wegen zur Minimierung von Risiken bei Nutzung der Energiespeicher.

Als Energiespeicher sind Lithium-Ionen-Batterien derzeit für viele Anwendungen konkur­renz­los und finden sich daher in nahezu allen Lebens­bereichen in großer Anzahl wieder. Bei miss­bräuch­licher Behandlung oder Produktions­fehlern können sie jedoch erhebliche Energiemengen freisetzen. Dieses führt zur Entwicklung hohen Drucks und sehr hohen Temperaturen sowie der Freisetzung toxischer, explosions­fähiger und brennbarer Gase. Durch sehr heiße Partikel, die mit dem Gasstrom aus dem Zellinneren nach außen geführt werden oder beim Überschreiten bestimmter Temperatur- und Konzen­tra­tions­grenzen kann dann eine Entzündung der Gase an Luft oder sogar eine Explosion erfolgen. Die Auswirkungen auf die unmittel­bare Umgebung, insbesondere beim Über­greifen auf weitere Zellen, als thermische Propagation bezeichnet, sind erheblich.

Abb.: Bei unsach­ge­mäßer Nutzung oder bei Pro­duk­tions­fehlern können...
Abb.: Bei unsach­ge­mäßer Nutzung oder bei Pro­duk­tions­fehlern können Lithium-Ionen-Batterien in Brand ge­raten. Das ist zwar selten, aber nicht aus­ge­schlossen. Das Forschungs­projekt VentBatt entwickelt Maß­nahmen, um die Sicher­heit zu erhöhen. (Bild: TU Clausthal)

Ziel des nationalen Verbund­projekts VentBatt ist die Minimierung und Vermeidung von Risiken in Zusammenhang mit dem Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien durch Reduzierung der Temperatur und Konzen­tra­tion der aus­strömenden Gase unter die sicherheits­kritischen Schwellenwerte sowie die Vermeidung einer thermischen Propagation durch Verminderung der Wärme­erzeugungs­rate der Zelle.

„Das Projektziel entspricht somit der Umsetzung der klassischen Prinzipien der Brand­ver­meidung: Unter­schreitung der Zünd­temperatur sowie Vermeidung einer brennbaren Gas- und Sauerstoff­mischung“, erläutert Projekt­leiter Ralf Benger vom feder­führenden Forschungs­zentrum Energie­speicher­techno­logien der TU Clausthal. Dazu werden im Rahmen des Vorhabens Maßnahmen entwickelt und untersucht, die durch ein kontrol­liertes Gas- und Thermo­management eine Erhöhung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen.

Mit industriellen Projekt­partnern aus ganz Deutschland werden dazu drei Konzepte komplementär betrachtet. Mit der Firma Frötek Kunststoff­technik aus Osterode wird insbesondere die gezielte Druck­ent­lastung über Ventile in den Zell­gehäusen erforscht und erprobt. Mit Teubert Maschinenbau aus Blumberg wird durch Nutzung von Partikel­schäumen eine Minderung der Temperatur und Erniedrigung der Konzen­tra­tion der brennbaren Gase auf ein Maß unterhalb der Brand- und Explosions­grenzen umgesetzt.

Mit Borg Warner Akasol aus Darmstadt erfolgt das optimierte Design eines Batterie­systems ein­schließ­lich Gehäuse und Strömungs­führung für die aus­strömenden Gase unter der Beachtung von Propagations­barrieren durch Isolations­material, verbesserter Wärmeleitung und forcierter Kühlung. Die Umsetzung auf ein kommer­zielles Zellformat wird mit der Firma Univer Cell Holding aus Flintbek verfolgt. Das Forschungs­zentrum Energie­speicher­techno­logien koordiniert das Gesamt­vorhaben, unternimmt die theore­tischen Betrachtungen und führt die experi­men­tellen Sicherheits-Unter­suchungen im Batterie­test­zentrum durch. Gefördert wird das Projekt mit insgesamt 1,5 Millionen Euro vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung.

TU Clausthal / RK

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