Jens Grabow1
FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Sicherheit von
Lithium-Ionen Batterien
Jens Grabow
Dr. Ralf Benger
11. April 2019 - Wiesbaden
Jens Grabow2
FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Die Lithium-Ionen Batterie findet in einer
Vielzahl von Produkten Anwendung
„Mobil und wiederaufladbar“
Handys, Tablets, Laptops, Power-Tools
Motivation
Quelle: https://www.eu9.com/wp-content/uploads/Stihl-MSA-
200-C-BQ-Carving-Akku-Kettensaege-Motorsaege-Lithium-Ion-
PRO-EU9-1200.jpg
Quelle:
https://d3nevzfk7ii3be.cloudfront.net/igi/J
WCS3PHnITsAmBVa.full
Jens Grabow3
FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Quelle oben: https://assets.t3n.sc/news/wp-
content/uploads/2016/09/volkswagen-vw-id-
meb.jpg?auto=compress%2Cformat&fm=jpg&ixlib=php-
1.1.0&q=65&w=940&s=cae2ddf44f1ecd874f3226492a0dc3a3
Quelle unten:
https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/none/path/se0529733
762b573b/image/ie44542797d20af20/version/1455698456/image.jpg
Die Lithium-Ionen Batterie findet in einer
Vielzahl von Produkten Anwendung
„Mobil und wiederaufladbar“
Handys, Tablets, Laptops, Power-Tools
E-Mobilität
E-Bike, Hybrid- und Elektrofahrzeuge
Motivation
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FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Die Lithium-Ionen Batterie findet in einer
Vielzahl von Produkten Anwendung
„Mobil und wiederaufladbar“
Handys, Tablets, Laptops, Power-Tools
E-Mobilität
E-Bike, Hybrid- und Elektrofahrzeuge
Stationäre Speicher
Netzstabilität, Pufferbatterie, Homespeicher
Motivation
Quelle: http://www.naturenergieladen.de/images/IMG_1325.jpg
Jens Grabow5
FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Die Lithium-Ionen Batterie findet in einer
Vielzahl von Produkten Anwendung
„Mobil und wiederaufladbar“
Handys, Tablets, Laptops, Power-Tools
E-Mobilität
E-Bike, Hybrid- und Elektrofahrzeuge
Stationäre Speicher
Netzstabilität, Pufferbatterie, Homespeicher
Spezial Anwendungen
Militär, Luft-und Raumfahrt
Motivation
Quelle: Eric Darcy, “Design Guidelines for Safe, High Performing Li-ionBatteries with 18650 cells,” Petten, Netherlands, Mar. 8 2018
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FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Luftfahrt
Cargo
Bekannte Fehlerfälle
Quelle: https://www.gannett-
dn.com/media/2017/03/22/USATODAY/USATODAY/63625792692
7318239-UPS-LITHIUM.JPG?width=1080&quality=508.02.2006
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FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Luftfahrt
Cargo
Boing DreamLiner
Bekannte Fehlerfälle
7.01.2013Quelle oben: https://cdn-images-1.medium.com/max/1200/1*4TA61TK-aL-mw6Nl2iQoiA.jpeg
Quelle unten: http://cdn1.spiegel.de/images/image-450318-860_poster_16x9-ynye-450318.jpg
Jens Grabow8
FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Luftfahrt
Cargo
Boing DreamLiner
Handy :
Samsung Galaxy Note S7
Bekannte Fehlerfälle
Quelle: https://www.android-iphone-recovery.com/wp-
content/uploads/2016/10/samsung-galaxy-s7-fire-burning-
300x300.jpgHerbst 2016
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FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Luftfahrt
Cargo
Boing DreamLiner
Handy :
Samsung Galaxy Note S7
Elektrofahrzeug
Tesla Model S
Bekannte Fehlerfälle
Quelle oben: https://infinitediaries.net/wp-
content/uploads/2018/09/Tesla-Model-S-Fire-Poland-2-hero.jpg
Quelle unten:
https://electrek.co/wp-content/uploads/sites/3/2017/10/screen-
shot-2017-10-18-at-1-46-41-pm-
e1508351385743.jpg?quality=82&strip=all&w=1600
z.B.16.12 2018
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Ebenen der Batteriesicherheit
1. Zellchemie 2. Zellaufbau
3. Systemebene 4. Anwendung
1. Zellchemie 2. Zellaufbau
Anwender
Zellhersteller
[1]
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Funktionsweise der Lithium-Ionen Batterie
[2]
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Falsche Betriebsführung und äußere Störeinflüsse (Trigger)
Betrieb außerhalb der spezifizierten Betriebsbedingungen
Mangelhafte Überwachung kritischer Parameter (Redundanz)
Mangelnder mechanischer Schutz
Unzureichendes Kühlkonzept
Schlechte Fertigungsqualität
Separatorqualität mangelhaft oder nach Verbau mechanisch geschwächt
Verunreinigungen in den Aktivmaterialien
Elektroden unbalanciert
SEI-Schicht mangelhaft ausgebildet
Fehlerursachen
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Fehlerfälle von Lithium-Ionen Batterien
zunehmende
Reaktions-
geschwindigkeit
Exotherme
Reaktion
Temperatur-
erhöhung
Wärmeabfuhr Fehlerfall
T1:Selbsterwärmung
T2:Thermisches Durchgehen
T1:Selbsterwärmung
T3:Maximale
Temperatur
Zeit in s
Te
mp
era
tur
in C
°
Te
mp
era
tur
in C
°
Zeit in s
[3]
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mechanisch
Produktions-fehler
Nagel Penetration
Zerdrücken
Elektrisch initiierte Nebenreaktion
elektrisch
Externer Kurzschluss
Überladung
Hoher Strom
thermisch
Tiefenentladung
Externe Erwärmung
Li-Abscheidung
Cu Auflösung
Li Dendrit
Cu Dendrit bei Ladung
Seperatordurchstochen
erzeugt
Schmelzen des
Separators -
Degradation/Regeneration
der SEI +
Elektrolyt-Zersetzung +
Thermisch initiierte Nebenreaktion
Kurzschluss
JoulischeWärme
Reaktions-enthalpie
BinderZersetzung +
Kathoden-Zersetzung +
Wärmebilanz
T ↑ oder – T ↓
Kühlleistung
Parameter
können verursachen
Separator aufgerissen
[eigene Darstellung]
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Mechanisch
Explosion (Masse, Druck, Bersten)
Chemisch
Austritt des Elektrolyten (korrosiv und brennbar)
Freisetzung von brennbaren und giftigen Gasen (Rauchentwicklung)
Thermisch
Hitzeentwicklung
Brand
Ausgehende Gefährdungen - Zelle
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Mischung verschiedener organischer und anorganischer Substanzen:
Flusssäure (HF) [4] :
20-200 mg/Wh 100 kWh können 2-20 kg freisetzen
Über 800.000 m3 zur Verdünnung notwendig (IDL-2)
Im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen etwas höher
Weitere:
CO2, CO, H2, C2H4, CH4, C2H6 ,C3H6 und verschiedene Aromaten
Durch Brand werden diese Stoffe zumindest teilweise oxidiert
Kritisch in geschlossenen Räumen (Parkgarage, Tunnel)
Gefahr durch austretende Stoffe
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Video Überladungsversuch
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Video Überladungsversuch
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Ladezustand
Zellkomponenten (Zellchemie, Additive, Schutzmechanismen)
Bauform und Zellgröße
Zellumgebung (Kühlsystem, Wärmequellen, Atmosphäre)
Einflussfaktoren
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Ebenen der Batteriesicherheit
1. Zellchemie 2. Zellaufbau
3. Systemebene 4. Anwendung
Zellhersteller
Anwender
[1]
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Sicherungskonzepte
Normal
betriebFehler
eintritt
Fehler-
fortsetzung
kritischer
Fehler
Vorbeugender
SchutzDetektieren Eingreifen Eindämmen
Kaskadierend
Software:
Überwachung der Betriebsparameter, Abschaltung, Warnsignale
Hardware:
Sicheres mechanisches, elektrisches und thermisches Design
Zellinterne Schutzeinrichtungen (Additive, Berstventil, PTC, CID)
Jens Grabow22
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Eignung verschiedener Löschmittel
• Wasser
• Wasser mit
Löschmittelzusätzen
• Feuerlöschgel
• Sand
• Schaum
• CO2
• ABC - Pulverlöscher
Entzug von
Wärme !
Jens Grabow23
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Nach Havarie einzelner Zellen bestehen zusätzliche Gefährdungen:
Zellen befinden sich unter Umständen in kritischem Zustand
Elektrische Gefährdung - Offene Kontakte unter Spannung (U > 60V)
Ausgehende Gefährdungen - Systeme
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Allgemeine Hinweise:
Lithium-Ionen-Zellen nicht mit konventionellen Ladegeräten laden
Transport und Lagerung bei ca. 30% Ladezustand
Trockene Raumluft
Entfernt von brennbaren Materialien
Sichtprüfung und Bewertung des Zustandes
Im Havariefall ausreichend lüften
Handlungsempfehlung
Jens Grabow25
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Arbeiten mit Lithium-Ionen Batterien:
Wärmeeintrag minimieren (Löten, Schweißen)
Beschriftung (Typ: z.B. Zellchemie)
Zellen elektrisch isolieren
Auf korrekte Polarität achten
Handlungsempfehlung
Jens Grabow26
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Zusammenfassung
1. Zellchemie 2. Zellaufbau
3. Systemebene 4. Anwendung
Zellhersteller
Anwender
[1]
Jens Grabow27
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Weltweit >1 Milliarde Zellen in der Verwendung!
Lithium-Ionen Batterien sind im normalen Betrieb relativ
sicher
Jedoch ist die Auswirkung eines Fehlers erheblich.
Fazit
Jens Grabow28
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Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit!
Fragen?
Jens Grabow29
FASI – Brand und Explosionsschutz Sicherheit von Lithium-Ionen Batterien
Bilder:
[1]:
• Bernhard Rieger, „Methodik zur Simulation des mechanischen Verhaltens von Lithium-Ionen-Zellen“, Dissertation, TUM, München,
2016.
• https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi77-
fHsujhAhXGGuwKHagACFwQjRx6BAgBEAQ&url=https%3A%2F%2Fwww.volkswagen-newsroom.com%2Fde%2Fbatterie-
3634&psig=AOvVaw32-1193H38w1vF4Vv7aR0I&ust=1556183802953163
• https://german.alibaba.com/product-detail/a123-lifepo4-20ah-primatic-pouch-battery-cell-60158522994.html
• Jeff Gelb, Zeiss Micoscopy, CA, USA: „Imaging the 4D Microstructure Evolution of a Commercial 18650 Li-ion Battery”, May 2018
• https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi54s_KuOjhAhVH46Q
KHeMOCIAQjRx6BAgBEAQ&url=https%3A%2F%2Fde.fotolia.com%2Fid%2F90554791&psig=AOvVaw0iU6vfL2_p896mdKBnX_lT&
ust=1556185393307493
[3]:
• Liu, Xiang; Ren, Dongsheng; Hsu, Hungjen; Feng, Xuning; Xu, Gui-Liang; Zhuang, Minghao et al. (2018): Thermal Runaway of Lithium-Ion Batterieswithout Internal Short Circuit. In: Joule. DOI: 10.1016/j.joule.2018.06.015.
[5]:
• Lithium Battery Thermal Runaway Vent Gas Analysis, Federal Aviation Administration, William J. Hughes, Technical Center New Jersey
Quellen
Jens Grabow30
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Video:• [2] Ausschnitt aus : https://www.youtube.com/watch?v=p8ecZ5oK7Fc
Daten:• [4] JRC exploratory research: Safer Li-ion batteries by preventing thermal propagation, Workshop Pretten (NL), 2018
Quellen
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Backup
[5]