NUBase – Neuartige Untersuchungsmethoden zur Batteriesicherheit

Die Projektpartner der Technischen Universität München (TUM‐EES), der RWTH Aachen University (RWTHISEA), des Fraunhofer Instituts für Siliziumtechnologie (FhG ISIT) und Zentrums für Sonnenenergie‐ und Wasserstoff‐Forschung (ZSW‐ECA) arbeiten im ahmen des Projektes NUBase zusammen. Die Projektkoordination übernimmt das ZSW. Die Arbeitsschwerpunkte und Entwicklungsziele der Projektpartner finden Sie am Ende dieses Dokuments in Tab.1. Die Mehrheit der elektrischen und eine Vielzahl von thermischen Fehlerfällen können in einem Lithium‐Ionen‐Batterie basierten Energiespeichersystem durch ein vernünftig ausgelegtes Batteriemanagementsystem (BMS) abgefangen werden. Es bleibt jedoch immer eine gewisse Anzahl an zellbasierten Fehlermöglichkeiten bestehen, die durch ein BMS nicht ausreichend adressiert werden können. Kommt es nun zu einem Thermal Runaway (TR) einer Zelle, werden erhebliche Energien freigesetzt und eine anschließende thermische Propagation (TP) durch das Gesamtsystem ist höchst wahrscheinlich, sofern keine Gegenmaßnahmen getroffen werden. Ziel des Projektes ist es daher, das Verständnis der zum TR führenden Prozesse, des TR selbst und der Propagation zu verbessern und damit eine zielgenauere Zellauslegung und ‐produktion zu ermöglichen. Dazu werden im Projektverlauf verschiedene Methoden angewandt. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Sensoren (z.B. Ultraschall, Glasfasern, Referenzelektroden) an und in der Zelle verbaut, um eine frühzeitige Detektion von sicherheitskritischen Zuständen zu ermöglichen und anschließend Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Des Weiteren wird die Ausgasung beim Venting einer Lithium‐Ionen‐ Zelle mit einem neuartigen Prüfstand untersucht, um ein besseres Verständnis über den sicherheitskritischen TR‐Prozess zu erhalten. Im Projekt soll zudem die Machbarkeit einer Unterdrückung der Propagation untersucht werden, indem auf Basis von biologisch abbaubaren und nicht toxischen Materialien Propagationsschutzbarrieren entwickelt werden, die eine thermische Propagation vollständig unterdrücken sollen. Bisherige Versuche zur Propagation zwischen mehreren Lithium‐Ionen‐Zellen zeigen, dass sich üblicherweise der TR einer Zelle unkontrolliert über die benachbarten Zellen ausbreitet. Versuche am ZSW haben nun gezeigt (siehe Abb.1), dass es möglich ist, Propagationsschutzbarrieren auszulegen, die die Propagation wirkungsvoll unterbinden können. Jedoch sind die bisherigen am ZSW entwickelten Barrieren noch nicht in allen Eigenschaften marktreif, so dass weitere Entwicklungen nötig sind, um daraus anwendbare Produkte herzustellen. Des Weiteren sollen die Barrieren so weiterentwickelt werden, dass die Barrieren die Propagation auch zwischen Zellen mit Kapazitäten bis zu 60 Ah (für Automotive‐Anwendungen geeignet) verhindern können. Durch diese Ziele des Projektes werden die zwei in der Praxis noch vorhandenen kritischen Prozesse TR und TP eingehend mit neuen Überwachungsmethoden untersucht bzw. begrenzt sowie die Batteriesicherheit durch die Anwendung von Barrierematerialien eine wesentlich verbessert.