Forschung & Innovation

Sicherer Transport von Lithium­ionen-Batteriespeichersystemen

Kontrollierter Abbrand im sicheren Behälter

04.11.2022 - Lithiumionen-Batteriezellen finden Verwendung in Energiegroßspeichern, Traktionsbatterien und Solar-Heimspeichern aber auch in einer Vielzahl kleinerer Geräte dienen sie als sehr effizienter Ladungsträger. Doch von den Batteriezellen können Risiken ausgehen können, wenn Temperaturgrenzen überschritten werden oder die Zellen mechanisch beschädigt werden.

Infolge thermischer Überlastungen oder durch äußere mechanische Einwirkungen können stark exotherme, chemische Reaktionen des Elek­trolytmaterials auf Zellebene initiiert werden, welche sich auf ein komplettes Batteriemodul und darüber hinaus ausdehnen können. Dabei entstehen innerhalb kurzer Zeit hohe Temperaturen von über 700 °C. Diese chemischen Kettenreaktionen auf Zellebene können nicht unterbrochen werden, weswegen auch von einem sogenannten Thermal Runaway gesprochen wird. Da die thermische Zersetzung der Batteriezelle mit der Entstehung zündfähiger Gasgemische einhergeht, bestehen hohe kollaterale Brand- und Explosionsrisiken[1]. Ab welcher Temperatur die Gefahr eines Thermal Runaways besteht, hängt z.B. stark vom Zelltyp ab. In der Regel sind Li­thium­ionen-Zellen nach Literaturangaben nicht für Betriebs- und Lagertemperaturen über 60 °C ausgelegt[2]. Die Auswirkungen eines Thermal Runaways sind selbst bei kleinen Speicherkapazitäten enorm und führen bei Durchreaktion der austretenden Elektrolytgasen zu erheblichen Energiefreisetzung und daraus resultierend zu Flammen- und Explosionserscheinungen.

Umgang mit beschädigten Batterien

Eine zentrale Fragestellung die, mangels geeigneter Technologie, jedoch bislang noch nicht abschließend geklärt wurde, ist der Umgang mit beschädigten und defekten Batteriesystemen: Gemeint sind damit Batterien, welche entweder von der Ladungselektronik nicht mehr erkannt werden oder etwa mechanische und/oder thermische Beschädigungen aufweisen. Ein solches vorgeschädigtes System weist in einer sicherheitstechnischen Betrachtung ein wesentlich höheres Risikopotential auf.

Da sich durch eine äußerliche Inspektion eines beschädigten Akkus nicht beurteilen lässt, wie hoch die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Thermal Runaways ist, müssen Möglichkeiten gefunden werden, kritische defekte Akkus sicher zu lagern und zu transportieren. Bislang verfügt der Markt, ab einer gewissen Leistungsklasse der Akkus, über keine zufriedenstellende sichere und gleichzeitig logistisch handhabbare Lösung zur Lagerung und Transport von Batteriesystemen. Das Unternehmen Rembe Safety+Control, hat sich der technischen Herausforderung gestellt und in kooperativer Zusammenarbeit am Rembe Re­search+Technology Center weitreichende großmaßstäbliche Untersuchungen durchgeführt. So wurden Akkus verschiedener Leistungsdichten in unterschiedlichen Testumgebungen gezielt zur Propagation gebracht und die daraus gewonnenen Erkenntnisse verwendet, um eine praktikable, risikogerechte und zuverlässige Lösung der v.g. Problemstellung zu entwickeln.

Kontrollierter Abbrand im sicheren Behälter

Der Thermal Runaway lässt sich durch die klassischen Löschverfahren weder stoppen noch aufhalten. Ein kontrollierter Abbrand in einem sicheren Aufbewahrungsbehälter ist daher die einzig wirksame Lösung. Der Behälter muss sowohl der thermischen Belastung von über 700 °C als auch den Druckbelastungen standhalten können, ohne dabei seine mechanische Integrität zu verlieren. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass eine der Leistungsdichte der Batterien angepasste Kombination von Druckentlastungsöffnungen am Behälter, einer Oberflächenisolation, einer Reduktion der Verbrennungsgastemperaturen und einer intrinsischen Energiedissipation ein wirksames, wenngleich komplexes Schutzkonzept darstellt. Zum Zwecke der Isolation und Energiedissipation wurden spezielle technische Hochleistungstextilien des Anbieters K.Tex, mit denen sich Temperaturen einer Zellhavarie signifikant verringern lassen [3], verwendet.

Die auszuwählende Kombination aus diesen Komponenten hängt dabei allen voran von der Zellchemie, der Leistungsdichte und dem Versagenskriterium der eingesetzten Akkus ab. Die durchgeführten Forschungsarbeiten ermöglichen eine wirtschaftliche Dimensionierung der Schutzmaßnahmen in Abhängigkeit der vorliegenden Randbedingungen, so dass eine Gefährdung der Umgebung, des Personals und der Transport­einheit sichergestellt werden kann.

So war von Anfang an, der Anspruch, die Wirtschaftlichkeit und damit verbundene Praxisorientierung dieser Lösung in den Vordergrund der Zweckuntersuchungen zu stellen. Analog zu einem Baukastenprinzip, können nun mehr jeweilig die einzelnen Schutzelemente modular auf die zu schützenden Transportbehälter, -kisten und -container adaptiert werden. Die Zertifizierung des Gesamtsystems ist im Rahmen einer Zusatzprüfreihe möglich und angeraten.

Autor: David Rasche, Rembe Safety+Control

Quellen:
[1] Lithium-Batterien – Brandgefahren und Sicherheitsrisiken, Risk Experts, Dr. Buser
[2] Brandschutz-Forschung, IMK Bericht 175, KIT, Herr Kunkelmann – 2017
[3] Technisches Textil zum Propagationsschutz von ­Lithium-Ionen-Batterien; Technische Textilien / Technical Textiles vom 09.06.2022, S. 121; Christoph Hacker, David Sieb, Marius Linz, Alexander Linz, Robert Knein-Linz

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59929 Brilon
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