-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Widerstandes eines Prüfkörpers gegenüber freigesetzten Stoffen und hoher Temperatur infolge von Beschädigungen oder anderen Mängeln an einem elektrischen Speichermedium sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Zu elektrischen Speichermedien zählen wiederaufladbare und nicht wiederaufladbare Speicherelemente, die auch als Sekundär- und Primärzellen bekannt sind. Während wiederaufladbare Speicherelemente insbesondere im Fahrzeugbereich zunehmend an Bedeutung gewinnen, werden an sämtliche Speichermedien ständig höhere Anforderungen gestellt. Beispielsweise werden immer größere Energiedichten (Wh/1) und spezifische Energien (Wh/kg) verlangt. Darüber hinaus sind eine hohe Zellspannung sowie eine lange Lagerfähigkeit von Bedeutung, ohne dass es hierbei zu übermäßigen Selbstentladungen kommt.
-
Die gestellten Anforderungen werden insbesondere von Lithium-Batterien erfüllt.
-
Bei Batterien handelt es sich in der Regel um zusammengeschaltete Einzelzellen, wobei eine Reihenschaltung die elektrische Spannung und eine Parallelschaltung die Kapazität erhöht. In beiden Fällen steigt der Gesamtenergiegehalt (Wh).
-
Hohe Energiegehalte bedeuten jedoch auch eine Gefahr, insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkus, die explodieren können. Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus einer Kathode (z.B. einer Lithium-Metalloxid-Verbindung) und einer Anode (z.B. einem Lithium-Graphit), die in einen leitfähigen Elektrolyten eingebracht sind. Zwischen beiden Polen befindet sich ein nicht leitender Separator, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Kommt es jedoch zu einem Kurzschluss innerhalb des Akkus, weil zwischen den beiden Polen (Elektroden) eine metallische Verbindung entsteht, fließt elektrischer Strom unkontrolliert, und es wird innerhalb kürzester Zeit hohe Energie frei, die insbesondere in Wärme umgesetzt wird.
-
Die infolge des Kurzschlusses entstandene exotherme Reaktion kann sich auch noch weiter erhitzen, so dass es zu einem so genannten „Thermal Runaway“ kommt. Hierdurch wird der Elektrolyt zersetzt und eine Art Kettenreaktion ausgelöst.
-
Aus dem Bindemittel des Elektrolyten kann brennbares Gas wie Methan, Ethan, Ethen oder Wasserstoff entstehen, welches mit Sauerstoff ein brandgefährliches Gemisch bildet. Sollte die Akku-Zelle aufgrund des zu hohen Innendruckes bersten, kann sich das Lithium aufgrund der Luftfeuchtigkeit entzünden und wiederum stark exotherm reagieren. Darüber hinaus kann sich durch die entstehende Hitze die Schichtstruktur des Metalloxids auflösen, und austretender Sauerstoff reagiert mit Lithium, was einen Metallbrand zur Folge hat.
-
Beim Bersten einer Akku-Zelle entsteht sehr oft in der Gehäusewand ein kleines Loch, durch das, wie aus einer Düse, heiße Gase und Partikel entweichen. Dieser „First Impact“ dauert meist nur 10-20 Sekunden. Danach treten weiterhin unter starker Hitzeentwicklung Flammen aus, und die Reaktionen in der Zelle nehmen langsam ab. Das geschossartige Austreten von Partikeln, wie auch die damit einhergehende und anschließende Flammenausbreitung, stellen das eigentliche Problem beim Bersten einer Akku-Zelle dar.
-
Bei den austretenden Partikeln kann es sich, je nach verwendetem Material für Anode und Kathode, um Partikel aus Lithium, Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen oder Phosphat in verschiedenen Konzentrationen, Größen und Kombinationen handeln, die infolge einer Zersetzung des Kathodenmaterials entstehen. Als Kathodenmaterial bei Lithium-Systemen kommen u.a. Metalloxide, Eisenphosphat und Kobaltoxid in Betracht.
-
Gleichzeitig kommt es zu einem enormen Temperaturanstieg, der nicht zuletzt auf einen Metallbrand des Lithiums zurückzuführen ist. Die Temperatur kann im Inneren der Akku-Zelle auf über 2000 °C ansteigen. Nach Austritt der Flamme und der Partikel verringert sich die Temperatur sehr schnell und je nach Größe der Akku-Zelle auf z. B. 1200 °C bis 1400 °C.
-
Ein weiteres Problem besteht in der so genannten „Thermal Propagation“, einer Temperaturweiterleitung von Zelle zu Zelle. Befindet sich eine Zelle im Thermal Runaway und überhitzt dann, gibt sie auch einen Teil der Wärme an umliegende Zellen ab. Erreicht der Separator einer der Zellen seinen Schmelzpunkt, entsteht ein Kurzschluss in der Zelle und führt ebenfalls zu einem Thermal Runaway. Durch die enorme Hitze können sich diese Reaktionen sehr schnell ausbreiten, so dass innerhalb kurzer Zeit sämtliche Zellen bersten.
-
In Anbetracht der aufgezeigten Gefahren insbesondere im Umgang mit Lithium-Batterien ist es nur allzu verständlich, dass nach geeigneten Materialien und Vorrichtungen gesucht wird, um die Auswirkungen eines Partikelschlags sowie Folgebrände zu vermeiden. Einhausungen von Batterien aber auch Abschottungen einzelner Zellen müssen daher aus einem solchen Material bestehen, das einem Thermal Runaway standhält.
-
Die hierzu bislang durchgeführten Materialprüfungen sind sehr aufwändig. Sie beruhen darauf, einzelne Batterien gezielt zu zerstören, indem Anode und Kathode bis zum Kurzschluss zusammengedrückt werden, wodurch ein Kurzschluss entsteht. Alternativ werden Anode und Kathode mit einem leitfähigen Dorn durchstoßen und somit kurzgeschlossen. Beide Tests haben jedoch den Nachteil, dass auf die Batterie zunächst mechanisch eingewirkt werden muss, um anschließend zu prüfen, wie sich das Abbrandverhalten auswirkt.
-
Andererseits werden von der Automobilindustrie klare Anforderungen an die Einhausung von Batterien bei Elektrofahrzeugen gestellt, wonach die Einhausungen einem Partikelschlag aus der ersten havarierten Zelle sowie einem Folgebrand durch den Thermal Runaway zumindest für eine vorgegebene Zeit standhalten muss. So darf zum Beispiel gemäß Sicherheitsanforderungen für Power-Batterien eine Batterie innerhalb von 5 Minuten nach einem „Thermal Runaway“ einer Zelle nicht brennen oder explodieren. Besondere Anforderungen an Batterien gelten darüber hinaus bei elektrischen Bussen.
-
Bisherige Prüfmethoden sind insbesondere für den Partikelschlag ungeeignet, weil dieser bislang nicht standardisierbar ist.
-
CN 206 095 593 U beschreibt eine Testvorrichtung für Batteriegehäuse mit einer Vorrichtung zur Druckbeaufschlagung. Drüber hinaus ist aus
DE 102 49 725 A1 eine Vorrichtung zur Prüfung der Kratzbeständigkeit von Oberflächen bekannt. Keine der beiden Vorrichtungen ist jedoch geeignet, einen Prüfkörper auf seine Beständigkeit gegenüber freigesetzten Stoffen und hoher Temperatur infolge von Beschädigungen oder anderen Mängeln an einem elektrischen Speichermedium zu untersuchen.
-
DE 14 46 965 C beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung der Druck- und Temperaturbeständigkeit von Gegenständen, bei dem die zu prüfenden Gegenstände einem Düsenstrahl fester Raketentreibsätze ausgesetzt werden. Jedoch beschreibt auch diese Druckschrift kein Verfahren zur Ermittlung des Widerstandes eines Prüfkörpers gegenüber freigesetzten Stoffen, wie sie infolge von Beschädigungen oder anderen Mängeln an einem elektrischen Speichermedium entstehen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein solches Verfahren bereitzustellen, mit dem verschiedene Prüfkörper in unterschiedlicher Ausgestaltung auf ihre Beständigkeit gegenüber Partikelschlag und hohen Temperaturen, wie sie beim Bersten einer Akku-Zelle und insbesondere eines Lithium-Akkus auftreten, geprüft werden können. Das Ergebnis einer solchen Prüfung soll darüber Aufschluss geben, ob die jeweiligen Prüfkörper in ihrer jeweiligen Ausgestaltung zur Herstellung von Einhausungen für bestimmter Speichermedien oder/und zur Abschottung einzelner Zellen dieser Speichermedien geeignet sind. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe das Prüfverfahren durchführbar ist.
-
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der jeweiligen Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8.
-
Das Erzeugen von Abbrandprodukten durch Abbrennen einer Treibladung sowie das gezielte Einwirkenlassen dieser Abbrandprodukte auf den Prüfkörper 2 bieten einen entscheidenden Vorteil gegenüber bisherigen Verfahren. Während bislang Einhausungen von Batterien oder Abschottungen einzelner Zellen in aufwändigen Versuchen durch das Zerstören jeweils einzelner Speichermedium untersucht werden mussten, kann durch das vorliegende Verfahren auf Einzeltests mit Speichermedien verzichtet werden. Vielmehr ist es nunmehr möglich, die durch das Bersten zum Beispiel einer Akku-Zelle auftretenden Zerstörungspotenziale zu simulieren. Setzt man ein zum Beispiel hinsichtlich Größe und Aufbau bzw. Zusammensetzung bestimmtes Material der Wirkung einer berstenden Akku-Zelle aus, kann das dadurch entstehende Schadbild als Grundlage dafür dienen, Treibladungen zu definieren, die durch Abbrennen ebensolche Wirkungen erzeugen. Mit Hilfe dieser so definierten Treibladungen können anschließend andere Materialien oder alternative Ausgestaltungen von Prüfkörpern, insbesondere von Einhausungen oder Abschottungen geprüft werden.
-
Als Prüfkörper 2 kommen grundsätzlich alle Gegenstände in Betracht, die geeignet sind, Auswirkungen eines Partikelschlags sowie Folgebrände bei elektrischen Speichermedien zu reduzieren oder zu vermeiden. In der Regel handelt es sich bei derartigen Prüfkörpern 2 um Metallprüfkörper. Prüfkörper 2 können aber auch aus anderen Materialien bestehen, beispielsweise aus Kunststoff oder faserverstärktem Kunststoff.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Prüfkörper 2 durch die gezielte Einwirkung von Abbrandprodukten einen Zustand ein, der zumindest stellenweise vergleichbar ist mit einem solchen Zustand, der durch Bersten des elektrischen Speichermediums entsteht.
-
Die beim Bersten eines elektrischen Speichermediums auftretenden Phänomene (zum Beispiel freigesetzte Energie und Partikelschlag) variieren stark nach Art der jeweiligen Zelle. Bei einer kleineren Zelle sind die Auswirkungen grundsätzlich geringer als bei einer größeren Zelle, selbst wenn auftretende Temperaturen punktuell vergleichbar sein können. Je größer die spezifische Energie (Wh/kg) einer Zelle ist, desto größer ist in der Regel die von dieser Zelle ausgehende Gefahr.
-
Jede Zelle kann daher ein für sie typisches Schadbild (einen typischen Zustand) an einem Prüfkörper 2 verursachen. So erzeugen zylindrische Zelle zum Beispiel der Bauformen 18650, 21700, 26650 und 32600 in der Regel ein anderes Schadbild als prismatische Zellen oder Pouchzellen. Ist das spezifische Schadbild einmal bekannt, kann dieses als Art eines Eichmusters verwendet werden, um eine Treibladung herzustellen, die beim Abbrennen Abbrandprodukte entstehen lässt, die am Prüfkörper 2 ein vergleichbares Schadbild erzeugen. Mit so hergestellten Treibladungen lassen sich dann Versuche durchführen, um andere Prüfkörper 2 zu testen. Halten Prüfkörper dem „Beschuss“ stand, kann davon ausgegangen werden, dass dieser Prüfkörper auch einen ausreichenden Schutz gegenüber dem entsprechenden elektrischen Speichermedium bietet.
-
Bei dem hier beschriebenen Verfahren kommt es häufig zu stellenweisen Einwirkungen auf den Prüfkörper 2. Wie oben beschrieben, entsteht beim Bersten einer Akku-Zelle sehr oft in der Gehäusewand des Akkus ein kleines Loch, durch das heiße Gase und Partikel entweichen. Hierdurch wird der Prüfkörper stellenweise beschädigt ebenso wie durch die Abbrandprodukte nach Abbrennen einer Treibladung.
-
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung enthält die Treibladung ein Treibmittel sowie Beschusspartikel. Soll nur das Bersten einer kleinen Zelle simuliert werden, reicht es häufig aus, als Treibladung lediglich ein Treibmittel zu verwenden. Typische Treibmittel sind chemische Substanzen wie Schwarzpulver, die auch in pyrotechnischen Produkten zu finden sind. Zur Ermittlung des Widerstandes eines Prüfkörpers gegenüber den beim Bersten größerer Zellen auftretenden Phänomenen kann es erforderlich sein, die Treibladung zusätzlich zu einem Treibmittel mit Beschusspartikeln zu versehen. Hierdurch lassen sich größere Kräfte simulieren.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Anteil an Beschusspartikeln in Bezug auf die Treibladung 1 - 50 Gew.%, vorzugsweise 1 - 20 Gew.%, zum Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20 Gew.%.
-
Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über unterschiedliche Bauformen von elektrischen Speichermedien, deren Energien sowie zugeordnete Treibladungen:
| Zellform | Treibladung |
| 18650 (zylindrisch) | Kal. 12 10s NEM 8,8 g 0-10 Gew.% Partikel |
| 21700 (zylindrisch) | Kal. 12 10s NEM 8,8 g 0-10 Gew.% Partikel |
| 26650 (zylindrisch) | Kai.12 10s NEM 15,1 g 0-20 Gew.% Partikel |
| | Kal.22 10s NEM 42,0 g 0-10 Gew.% Partikel |
| 32600 (zylindrisch) | Kal.12 10s NEM 15,1 g 0-20 Gew.% Partikel |
| | Kal.22 10s NEM 42,0 g 0-10 Gew.% Partikel |
| Prismatisch | Kal22. 20s NEM: 49,0 g 0-20 Gew.% Partikel |
| Pouch | Kal22. 20s NEM: 49,0 g 0-10 Gew.% Partikel |
-
Die angegebene Netto-Explosiv-Masse (NEM) stellt die Gesamtmasse der Treibladung dar, die Beschusspartikel enthalten kann. Bei den Beschusspartikeln handelt es sich vorzugsweise um Metallpartikel wie Titanpartikel, die 0,05 - 0,6 mm groß sind. Die angegebene Menge der Treibladung bestimmt die Abbranddauer.
-
Wie aus der Tabelle ebenfalls ersichtlich, werden unterschiedliche Kaliber verwendet. Sie geben den Innendurchmesser der jeweiligen Treibsatzhalterung 5, 6 an.
-
Prüfkörper 2 verfügen nicht notwendiger Weise über eine ebene Oberfläche. Vielmehr können einzelne Prüfkörper 2 Oberflächenstrukturen oder bestimmte Formen aufweisen, die für die beim Bersten eines elektrischen Speichermediums freigesetzte Energie und einen Partikelschlag besondere Angriffspunkte bilden. Insofern hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Treibladung in einer verstellbaren Treibsatzhalterung 5, 6 untergebracht ist, die einseitig offen und mit ihrer Öffnung 13, 14 auf den Prüfkörper 2 gerichtet ist. Durch die Verstellbarkeit der Treibsatzhalterung 5, 6 ist es möglich, Abbrandprodukte auf den Prüfkörper 2 in unterschiedlichen Winkeln auftreffen zu lassen. Hierdurch können Prüfkörper 2 auch an besonders kritischen Stellen auf ihre Beständigkeit hin untersucht werden.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Abbranddauer der Treibladung über die Menge des Treibmittels eingestellt. Hierdurch ist es möglich, den so genannten „Thermal Runaway“ besser zu simulieren und die Temperatur an der Oberfläche des Prüfkörpers 2 zu erhöhen.
-
Darüber hinaus hat es sich bewährt, als Beschusspartikel Titanpartikel zu verwenden. Wenngleich auch andere Metallpartikel einsetzbar sind, bieten Titanpartikel den Vorteil, dass diese erst bei 1668 °C schmelzen, sehr fest sind und über stark abrasive Eigenschaften verfügen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung 3 für einen Prüfkörper 2, eine Einrichtung 4 zur Anbringung und Positionierung von mindestens einer Treibsatzhalterung 5, 6, die zur Aufnahme einer Treibladung ausgebildet ist, sowie einem Grundgestell 7, auf dem die Einrichtung 4 mittels eines Metallprofils 12 verschieblich gegenüber der Haltevorrichtung 4 angeordnet ist.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Treibsatzhalterung 5, 6 schwenkbar angeordnet und in verschiedenen Einstellpositionen fixierbar, so dass der Prüfkörper 2 aus verschiedenen Winkeln mit Abbrandprodukten beaufschlagt werden kann.
-
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
-
Es zeigt:
- 1 die Vorrichtung 1 in einer schematischen Seitenansicht,
- 2 einen Schnitt A-A durch die Vorrichtung 1 gemäß 1 sowie
- 3 Treibsatzhalterungen 5, 6 im Detail in einer schematischen Seitenansicht
-
Die Vorrichtung 1 gemäß 1 weist eine Haltevorrichtung 3 für einen Prüfkörper 2 auf, eine Einrichtung 4 zur Anbringung und Positionierung von mindestens einer Treibsatzhalterung 5, 6, die zur Aufnahme einer Treibladung ausgebildet ist, sowie ein Grundgestell 7, auf dem die Einrichtung 4 verschieblich gegenüber der Haltevorrichtung 3 angeordnet ist. Der Prüfkörper 2 ist in dieser Figur nicht dargestellt. Die Haltevorrichtung 3 verfügt über zwei horizontal angeordnete Träger 8, 9, die zur Halterung des Prüfkörpers 2 dienen. Die beiden Träger 8, 9 sind über zwei Metallprofile 17, 18 mit dem Grundgestell 7 verbunden und lassen sich an den Metallprofilen 17, 18 auf- und abwärts bewegen und an beliebigen Positionen festlegen. So können Prüfkörper 2 unterschiedlicher Größe zwischen den Trägern 8, 9 eingespannt werden. Seitliche Wände 10, 11, zum Beispiel aus Acrylglas, schirmen die Vorrichtung 1 ab.
-
Darüber hinaus weist die Vorrichtung ein Metallprofil 12 auf, an dem Treibsatzhalterungen 5, 6 angebracht sind. Die Treibsatzhalterungen 5, 6 verfügen über Öffnungen 13, 14, die auf den Prüfkörper 2 gerichtet werden können. Hierzu sind die Treibsatzhalterungen 5, 6 schwenkbar mit U-Profilen 15, 16 verbunden.
-
Die Treibsatzhalterungen 5, 6 sind zur Aufnahme von Treibladungen ausgebildet. Sie können unterschiedlich groß sein. Bewährt haben sich Innenkaliber von 12 und 22 mm. Die Treibladungen enthalten Treibmittel sowie gegebenenfalls Beschusspartikel. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten zu den Treibladungen wird auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
-
2 zeigt einen Schnitt A-A durch die Vorrichtung 1 gemäß 1. An dem Metallprofil 12 ist die Einrichtung 4 zur Aufnahme der Treibsatzhalterungen 5, 6 angebracht. Die Einrichtung 4 ist höhenverstellbar. Durch entsprechende Einstellung der Einrichtung 4 lassen sich die einzelnen Treibsatzhalterungen 5, 6 so positionieren, dass die aus einer einzelnen Treibsatzhalterung 5, 6 austretenden Abbrandprodukte senkrecht auf den - in dieser Figur ebenfalls nicht dargestellten - Prüfkörper 2 treffen. Hierbei ist es ebenfalls möglich, auch den Abstand zwischen Prüfkörper 2 und Treibsatzhalterung 5, 6 zu variieren, indem das Metallprofil 12 auf dem Grundgestell 7 verschoben wird.
-
3 zeigt Treibsatzhalterungen im Detail in einer schematischen Seitenansicht. Als Prüfkörper 2 ist hier ein plattenförmiges Element dargestellt, auf dessen mittleren Bereich die Treibsatzhalterungen 5, 6 gerichtet sind. Die Treibsatzhalterungen 5, 6 sind jeweils über einen Haltearm 19, 20 mit der Einrichtung 4 verbunden sind. Aufgrund der Schwenkbarkeit der Treibsatzhalterungen 5, 6 können Abbrandprodukte auf den Prüfkörper 2 in unterschiedlichen Winkeln auftreffen.
-
Die in den 1 - 3 dargestellten Richtungspfeile verdeutlichen die Verstellmöglichkeiten für einzelne Elemente bzw. Einrichtungen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Prüfkörper
- 3
- Haltevorrichtung
- 4
- Einrichtung
- 5
- Treibsatzhalterung
- 6
- Treibsatzhalterung
- 7
- Grundgestell
- 8
- Träger
- 9
- Träger
- 10
- Wand
- 11
- Wand
- 12
- Metallprofil
- 13
- Öffnung
- 14
- Öffnung
- 15
- U-Profil
- 16
- U-Profil
- 17
- Metallprofil
- 18
- Metallprofil
- 19
- Haltearm
- 20
- Haltearm
