Simulationsbasierte Sicherheitsbewertung eines unkontrollierten, thermischen Durchgehens bei gealterten Batteriezellen

Abstract

Im Forschungsprojekt SimDural wurden Alterungs- und Sicherheitsuntersuchungen an insgesamt 72 Lithium-Ionen-Pouch-Zellen, 94 prismatischen Lithium-Ionen-Zellen sowie 50 Rundzellen des Formats 4695 durchgeführt. Ziel war die Bereitstellung experimenteller Daten für die Entwicklung eines simulationsbasierten Bewertungsverfahrens zur Vorhersage des Sicherheitsverhaltens gealterter Batteriezellen. Nach einer umfassenden Anfangscharakterisierung mittels Kapazitäts- und Pulstests wurden die Zellen durch definierte Zyklisierungsprofile künstlich gealtert und regelmäßig zwischencharakterisiert. Ergänzend erfolgten bei Pouch- und prismatischen Zellen Messungen der Semi-Ruhespannung sowie elektrochemische Impedanzspektroskopien. An prismatischen Zellen wurden darüber hinaus Missbrauchstests in Form von Nail- und Oven-Tests durchgeführt, um das Verhalten bei mechanischen und thermischen Belastungen bis hin zum thermischen Durchgehen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten die typischen Merkmale eines Thermal-Runaway-Ereignisses mit Spannungsabfall, Temperaturanstieg und vorgelagertem Venting. Gleichzeitig wurde ein deutlicher Einfluss der Alterung auf das Versagensverhalten festgestellt. Alterungsbedingte Nebenreaktionen führten bei einzelnen Zellen zu Aufblähungen (Swelling), sodass diese aus Sicherheitsgründen von weiteren Untersuchungen ausgeschlossen wurden. Die gewonnenen Messdaten bilden eine wesentliche Grundlage für die Parametrierung und Validierung von Simulationsmodellen zur Sicherheitsbewertung zukünftiger Lithium-Ionen-Batterien.