Wie Graphitfolien die Lebensdauer und Sicherheit von Batterien erhöhen

In Lithium-Ionen-Batterien für die Automobilbranche kann durch die Kombination und Anpassung verschiedener Materialien das Thermomanagement und damit die Lebensdauer und Sicherheit optimiert werden.

Verglichen mit anderen häufig verwendeten Batterien zeichnen sich Lithium-Ionen-Batterien durch hohe Energie- und Leistungsdichte, Langlebigkeit und ihre schadstoffarme Zusammensetzung aus. Lithium ist das leichteste Metall im chemischen Periodensystem (Atommasse 6,941 g/mol; Dichte 0,53 g/cm³) und besitzt das von allen Metallen größte elektrochemische Potenzial (3,0 V vs. Standardwasserstoffelektrode). Die daraus resultierende hohe elektrische Kapazität und die in Kombination mit verschiedenen Kathodenmaterialien realisierbaren hohen Zellspannungen, machen es zum idealen Elektrodenmaterial für chemische Energiespeicher.

Bildergalerie

Aus diesem Grund halten Lithium-Batterien in allen Bereichen des täglichen Lebens vermehrt Einzug. Sie werden vorzugsweise als netzunabhängige Stromversorgung oder als Pufferbatterien für elektronische Geräte eingesetzt. Insbesondere der Boom bei mobilen elektronischen Kleinanwendungen wie Smartphones, Notebooks, Kameras, Werkzeuge, etc. hat zu deren massenhaften Verbreitung geführt.

Aber auch für den Einsatz in Kleinfahrzeugen gewinnen Lithium-Batterien an Bedeutung. Eine geradezu explosionsartige Entwicklung erfährt die Anwendung von Lithium-Batterien derzeit im Automobil, z.B. Hybridantriebe, Hoch-Volt-Elektroantriebe etc. So ist es z.B. das erklärte Ziel der deutschen Bundesregierung, bis 2025 die Zahl der Elektrofahrzeuge auf 6 Mio. zu heben, was Hand in Hand gehen muss mit einer Weiterentwicklung des Lithium-Batterie-Systems.

Die Eignung eines elektromechanischen Energiespeichers für den Einsatz in Elektrofahrzeugen hängt von einer Vielzahl technischer, ökonomischer sowie ökologischer Aspekte ab. Das United States Advanced Battery Consortium (USABC) hat dazu neben dem Thema Energiedichte auch die Aspekte Sicherheit und Lebensdauer als Schlüsselindikatoren für das Setzen von Batterieentwicklungszielen und zur Messung der erreichten Fortschritte bestimmt. Dem gegenüber stehen aber Spezifikationen für Batteriesysteme, die von Seiten der Automobilindustrie kommen: Kostengünstige Lösungen mit hoher Leistungs- und Energiedichte werden hier gefordert, was den nutzbaren volumetrischen und gravimetrischen Overhead, der für das Batterie-Design und das thermische Management zur Verfügung steht, sichtlich beschränkt.

Der Einsatz von Lithium-Batterien im Automobil ist wegen ihrer hohen Kapazität insbesondere in hoher Reihenschaltung mit Fragen zur thermischen Sicherheit verbunden. Grund dafür ist, dass Lithium-Batterien nur in einem klar vorgeschriebenem Betriebsbereich, der durch Temperatur und Spannung definiert ist, zum Einsatz kommen können. Jenseits dieses Bereichs kann ein Einsatz von Lithium-Batterien schnell zu einer Minderung der Leistungsfähigkeit führen und auch zu Sicherheitsrisiken. Es sei an der Stelle nur an die Dreamliner Batteriebrände aus dem Jahre 2013 erinnert oder Anfang 2017 als HP erneut über 100,000 Notebooks vom Markt zurückholen musste wegen akuter Brandgefahr.

Lithium-Ionen-Batterien müssen cool bleiben

Unter Berücksichtigung der Anweisungen der meisten Batteriehersteller, sind die verlässlichen Temperaturbereiche für die derzeitigen Automotive-Lithium-Batterien (Graphen/LiMn2O4 oder in seiner Abkürzung C/LMO, C/LiCoxNiyMnzO2 oder C/NCM, C/LiFePO4 oder C/LFP, C/LiNi0,8Co015Al0,05O2 oder C/NCA) wie folgt: Entladung bei –20 bis 55 °C und Ladung bei 0 bis 45 °C. Für Lithium-Ionen-Batterien mit Ki4Ti5O12 oder LTO negative Elektrode, beträgt der niedriges Temperaturwert –30 °C. Normalerweise liegt die Betriebsspannung von Lithium-Ionen-Batterien zwischen 1,5 und 4,2 V, (C/LCO, C/NCA, C/NCM und C/LMO zwischen 2,5 und 4,2 V, für LTO/LMO bei 1,5 bis 2,7 V und für C/LFP zwischen 2,0 und 3,7 V).

Mit steigender Temperatur reagieren Lithium-Batterien unter Druckaufbau in der Zelle, Austritt brennbarer Gase, Zellenbrand, bis hin zum sich selbst verstärkenden explosionsartigen Abbrennen der Batterie (Thermal Runway). Insofern ist die Verwendung bei hohen Temperaturen problematisch und führt zu Beschädigung und Versagen.

Unterschiedliche Außentemperaturen als Herausforderung

In Bezug auf das thermische Management unterliegen Traktionsbatterien einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen. So stellen unterschiedliche Außentemperaturen eine große Herausforderung für das Wärmemanagement dar, und sind nicht zu vergleichen mit den Bedingungen unter denen Lithium-Batterien in der Konsumelektronik verwendet werden. Beispielsweise verringert sich an kalten Tagen die nutzbaren Kapazität, da die Entladeschlussspannung früher erreicht wird, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs sinkt.

Eine weitere Herausforderungen ist die garantierte Lebensdauer, die für die Automobilindustrie mit acht bis zehn Jahren definiert sein muss. Diese ist eng mit dem Thermomanagement des Batteriesystems verbunden. Die Geschwindigkeit der Zellalterung ist von der Temperatur abhängig und äußert sich in einen Rückgang der Kapazität und Erhöhung des Innenwiderstands. Dabei wird die End-of-Life Bedingung anwendungsspezifisch definiert, und liegt beim Erreichen von 80% der ursprünglichen Kapazität beziehungsweise bei einer Verdoppelung des Innenwiderstands.

Die Alterungsrate bei Temperaturen oberhalb des optimalen Bereichs kann durch die Arrhenius-Gleichung angenähert werden: Für jede Temperaturerhöhung um 10 K halbiert sich die Lebensdauer der Zelle. Es ist dabei wichtig, dass nicht nur die durchschnittliche Zelltemperatur, sondern auch der Temperaturgradient innerhalb einer Zelle und zwischen den Zellen entscheidend ist. Eine ungleichmäßige Wärmeverteilung trägt zu einer vorzeitigen Alterung und Kapazitätsabbau bei, indem sie lokale Hotspots schafft. Bei Temperaturunterschieden zwischen den Zellen altern die Zellen mit unterschiedlichen Raten: Bei in Reihe geschalteten Zellen senkt die schwächste Zelle die Lebensdauer des Systems. Aus diesem Grund müssen sowohl die durchschnittliche Temperatur, als auch die Temperaturunterschiede im Batterie-Wärmemanagementsystem (BTMS) berücksichtigt werden. Ideal ist demnach eine gleichmäßige und gleichbleibende Temperaturverteilung im Batteriesystem.

(ID:44946559)