Risiken von Lithium: Können Sie einer Lithiumbatterie wirklich vertrauen?

Was könnte passieren, wenn die Lithiumbatterie in Brand geriete?

Das Thema Sicherheit von Lithiumbatterien zieht immer die Aufmerksamkeit der Benutzer auf sich.

Wir hören leider immer häufiger von vielen Fällen, in denen Lithiumbatterien während der Nutzung oder der Aufladung durch Explosionen plötzlich in Brand geraten.

Einer der bekanntesten Fälle ist der von Boeing (Focus und CNN Magazine sprachen darüber) der sich 2013 ereignete, wieviel mag das in Bezug auf das Image und die Kosten für den Verbleib am Boden der 50 beanstandeten Boeing 787 gekostet haben???

Sicher haben Sie noch von vielen anderen Fällen gehört, in denen Lithiumbatterien explodiert sind und Brände verursacht haben, angefangen bei den Fahrzeugen von Tesla, den elektrischen Autobussen, bis hin zu den e-Rollern, die für den Brand von ganzen Wohnhäusern und leider auch für einige Tote verantwortlich waren.

Warum ist das passiert?

Wer ist für derartige Unglücke verantwortlich? 

Möchten Sie es vermeiden, dass ihre Maschinen und das Ansehen Ihrer Marke durch diese Unfälle beeinträchtigt werden?

In diesem Artikel wird es um die 3 Schlüsselfaktoren bei der Sicherheit von Lithiumbatterien gehen.

1. Die Wahl der richtigen chemischen Zusammensetzung der Lithiumbatterien
2. Art des Zusammenbaus der Lithiumbatterien
3. Die Lithiumbatterie kontrollierende Elektronik

Die Wahl der richtigen chemischen Zusammensetzung der Lithiumbatterien

Auf dem Markt existieren hunderte verschiedene chemische Zusammensetzungen für Lithiumbatterien, doch zu den am häufigsten verwendeten zählen 3:

• Lithium NMC – Lithium Nickel Mangan Kobalt (LiNiMnCoO2)
• Lithium NCA – Lithium Nickel Kobalt Aluminium (LiNiCoAIO2)
• Lithium LFP – Lithium Eisenphosphat (LiFePO4)

Unser Ziel ist es, die sicherste chemische Zusammensetzung des Lithiums zu ermitteln, um Ihr Fahrzeug absolut sicher zu machen, damit unangenehme Risiken bei der Benutzung der Lithiumbatterien vermieden werden.

In diesem Diagramm haben wir die Elemente, die jeder chemischen Zusammensetzung inhärent sind, in Bezug auf die Sicherheit und die Werte, die sie bestimmen, zusammengefasst.

Zersetzungstemperatur: je höher diese Temperatur ist, desto schwieriger wird es, die Zersetzungsbedingungen zu erreichen, also wird die Zelle der Lithiumbatterie sicherer sein. Sie bezieht sich auf eine Situation, in der ein Temperaturanstieg zu einem Zustand führt, in dem es zu einem weiteren Anstieg der Temperatur kommt, zum Beispiel eine Kettenreaktion zwischen den Zellen innerhalb der Batterie, was auch als Thermal Runaway bezeichnet wird.

Wärmeabgabe: wird in Joule pro Gramm gemessen und gibt die Energie an, die die Zelle der Batterie in Form von Wärme abgeben kann und somit zum Temperaturanstieg beiträgt. Je niedriger dieser Wert ist, desto sicherer wird die Lithiumbatterie sein. Es ist gerade der Temperaturanstieg, der die größten Schäden verursacht. Der Brand entsteht möglicherweise nicht direkt an der Zelle, sondern kann sich an Komponenten in der Nähe oder um die Batterie herum entzünden, zum Beispiel an Kunststoffmaterial.

Wie Sie sehen konnten, fallen die Reaktionen bei dem Penetrationstest völlig unterschiedlich aus, sowohl hinsichtlich der Ausbreitungszeit als auch hinsichtlich der erreichten Temperatur.

Wenn wir berücksichtigen, dass sich diese Zellen dicht nebeneinander in einem Lithiumbatterienpack befinden, verstehen wir, dass die weniger sicheren chemischen Stoffe sehr hohe Temperaturen erreichen (> 550 °C im Falle des Videos).

Diese hohen Temperaturen können eine Kettenreaktion unter den dicht beieinander stehenden Zellen hervorrufen, was zur Inbrandsetzung der gesamten Batterie führen kann. Dafür ist die von Boeing eingesetzte Batterie ein gutes Beispiel. (*siehe Abbildung der Boeing Batterie über).

Art des Zusammenbaus der Lithiumbatterien

Der Zusammenbau ist ein weiterer wesentlicher Punkt, der für die Sicherheit der Batterie wichtig ist, insbesondere ist die Anzahl der Parallelen im Inneren des Packs das bestimmende Merkmal. Dies ist ein Konzept, das bereits im Artikel über die unterschiedlichen Lithiumzellen thematisiert wurde.

Um in der Welt der Lithiumbatterien für Elektrofahrzeuge und Industriemaschinen zu bleiben, bestehen die Bedürfnisse darin, hohe Kapazitäten, die von 100 Ah bis über 1000 Ah gehen können, zu haben.

Im vorangegangenen Video haben wir gezeigt, wie eine einzelne LFP-Zelle mit Lithium auch bei einem Kurzschluss im Inneren sicher bleibt.

Bleibt die Sicherheit der LFP-Lithiumbatterie unter allen Bedingungen sicher? 

Viele Lithiumbatteriehersteller bauen Batteriepacks mit kleindimensionierten Zellen zusammen, daher sind sie dazu gezwungen, eine sehr große Anzahl von Zellen parallel zu schalten.

Wir denken da an eine Batterie mit 400 Ah.

Wenn sie aus zylindrischen Zellen mit 3 Ah besteht, bräuchte man 130 parallel geschaltete Zellen, wenn sie hingegen aus prismatischen Zellen mit 50 Ah besteht, dann haben wir in diesem Fall 8 parallel geschaltete Zellen.

Was passiert, wenn eine dieser 8 oder 130 Zellen einen Kurzschluss hat?

Die Lithiumzelle mit dem Kurzschluss muss die gesamte Energie der Parallelschaltung bzw. das 8- oder 130-fache ihrer Kapazität absorbieren.

Auf diese Weise wird sich die Temperatur der Zelle exponentiell erhöhen und dabei die Sicherheit der gesamten Batterie bzw. des gesamten Fahrzeugs gefährden.

In unseren Labors haben wir diese kritischen Punkte simuliert und getestet und wir sind zu einem Schluss gekommen: Die Flash Battery Batterien  werden mit höchstens 4 parallel geschalteten Zellen gefertigt, um in jeder Situation die Sicherheit zu gewährleisten.

Kontrollelektronik in der Lithiumbatterie

Der dritte und letzte Aspekt für die Gewährleistung der Sicherheit im Inneren des Lithiumbatteriepacks ist die Elektronik, das Gehirn der Batterie, womit diese kontrolliert wird. In den nächsten Monaten werden wir einen Artikel herausbringen, der sich mit dem Thema BMS und all seinen Funktionen im Einzelnen beschäftigt. Heute beschränken wir uns auf die Beschreibung der Sicherheitsfunktionen.

Die Hauptaufgabe der Elektronik ist die Überwachung der Spannung und Temperatur der einzelnen Zellen, darüber hinaus muss sie mit dem Fahrzeug und dem Batterieladegerät kommunizieren, um in kritischen Situationen das Laden und Entladen zu stoppen und eventuell auf die Hauptfernschalter einwirken.

Der Unterschied zwischen den Lithiumbatterieherstellern liegt darin, wie die Kontrollelektronik in Gefahrensituationen funktioniert

Die traditionellen Systeme überwachen die Temperatur jeder 3.-4. Zelle und nicht immer an den richtigen Stellen.

„Es ist mir schon häufiger passiert, dass ich Batterien von anderen Herstellern auf dem Markt gesehen habe, bei denen die Pole der Zellen wegen eines Kontaktproblems geschmolzen waren und das elektronische System nicht in der Lage war, dies zu erkennen und den Pack abzusichern““

Marco Righi, Ceo Flash Battery

Flash Battery wurde ursprünglich gegründet, um die kritischen Aspekte in der Elektronik zu lösen, die die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Lithiumbatterien einschränkten. Das waren unsere Ausgangspunkte.

Das Messen der Temperatur hätte viel mehr und an den richtigen Stellen stattfinden sollen, damit auch die Kontaktwiderstände hätten überprüft werden können. Daher haben die Batterien von Flash Battery zwei Temperatursensoren an jeder Zelle. So besitzt beispielsweise eine 96-V-Batterie, also eine Batterie mit 30 in Reihe geschalteten Zellen, 60 Wärmesensoren.

Mit mehr als 10.000 Batterien in der Welt hat Flash Battery eine bedeutende Vorreiterposition vorzuweisen, da es noch nie Sicherheitsprobleme bei seinen Produkten hatte. Das ist der Grund, warum sie in multinationalen Unternehmen, die dem Brandrisiko besondere Aufmerksamkeit schenken, wie beispielsweise Betriebe des Papierverarbeitungsbereichs, zum Einsatz kommen.

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