Thermisches Durchgehen ist eine unkontrollierte Reaktion, die in Lithium-Ionen-Batterien auftreten kann. Ab einem bestimmten Wert steigt die Temperatur der Batterie unkontrolliert an.
Der thermische Durchlaufprozess kann durch hohe Temperaturen ausgelöst werden, und es gibt eine thermische Durchlauftemperatur, oberhalb derer die Batterietemperatur unkontrolliert ansteigt.
Thermisches Durchgehen ist eine unkontrollierte Reaktion, die in Lithium-Ionen-Batterien auftreten kann. Eine Beschädigung der Batterie oder ein Kurzschluss kann dazu führen, dass sich Wärme und Druck in der Batterie aufbauen. Erreicht dieser ein bestimmtes Niveau, werden chemische Reaktionen ausgelöst, die noch mehr Wärme und Druck erzeugen, was zu einer positiven Rückkopplungsschleife führt. Thermisches Durchgehen kann sich schnell von einer Batterie zur nächsten ausbreiten und zu katastrophalen Explosionen und Bränden führen. Zu den Nebenprodukten eines thermischen Durchgehens können große Mengen an entflammbarem Wasserstoff und anderen giftigen fluororganischen Gasen gehören.
Mögliche Auslöser eines thermischen Durchgehens sind eine Überladung des Akkus, eine Überhitzung des Akkus oder das Aussetzen an hohe Temperaturen, eine zu hohe Entladerate, ein Kurzschluss oder eine Beschädigung wie z. B. ein Durchschlag.
Jeder dieser Faktoren kann die hochenergetischen Materialien und organischen Komponenten der Batterie destabilisieren, so dass sie ihre eigene Wärme erzeugen. Wenn diese Wärme nicht schnell genug abgeführt wird, steigt die Temperatur der Batterie weiter an, was den Prozess der Wärmeabgabe beschleunigt.
Thermisches Durchgehen beeinflusst die Spannungs-, Temperatur- und Druckwerte der Batterie. Kurz vor dem thermischen Durchgehen sinkt die Batteriespannung aufgrund einer Delaminierung der Elektroden. Exotherme chemische Reaktionen lassen die Temperatur ansteigen, während die Gasbildung aus den chemischen Reaktionen in Verbindung mit der Verdampfung des Elektrolyten den internen Batteriedruck ansteigen lässt.
Um einen thermischen Durchschlag richtig zu bewältigen, ist es wichtig, bestimmte Sicherheitsmaßnahmen zu ergreifen. Diese zielen darauf ab, einen thermischen Durchschlag von vornherein zu verhindern und anschließend die negativen Auswirkungen zu mildern und die mit dieser Art von Ereignis verbundenen Sicherheitsbedenken zu beseitigen.
Zu den präventiven Sicherheitsmaßnahmen gehören eine robuste Batteriebox, ein effizientes Kühlsystem sowie schützende Konstruktions- und Steuerungsmerkmale. Flammhemmende Zusätze können entweder im Elektrolyt oder im Separator verwendet werden, um die thermische Stabilität der Batterie zu verbessern und eine Entzündung von vornherein zu verhindern.
Sollten die vorbeugenden Sicherheitsmaßnahmen versagen, umfasst die zweite Verteidigungslinie ausfallsichere Maßnahmen, die darauf abzielen, Schäden durch thermisches Durchgehen zu verhindern oder zu verringern. Eine dieser Maßnahmen ist die Abschaltung des Separators. Ein Vorteil der Verwendung eines Gel-Polymer-Separators ist, dass er auch als thermische Sicherung fungiert. Der Separator schmilzt und seine Struktur bricht zusammen, lange bevor die Temperatur der Batterie den Schwellenwert für thermisches Durchgehen erreicht. Dadurch wird der Transport von Lithium-Ionen gestoppt und die Batteriezelle effektiv abgeschaltet. Das einzige Problem ist, dass der Separator Zeit braucht, um zu kollabieren, so dass die Abschaltung des Separators nicht alle chemischen Reaktionen vollständig stoppt und die Temperatur weiter ansteigen kann - und das thermische Durchgehen kann weitergehen.
An diesem Punkt sammeln sich brennbare Gase im Inneren der Batterie an, wodurch Druck und Temperatur weiter ansteigen. Ein thermisches Durchgehen kann nicht mehr aufgehalten werden, und so kommen Sicherheitsmaßnahmen zur Begrenzung der Auswirkungen ins Spiel. Ein Entlüftungsmechanismus lässt diese Gase kontrolliert ab, anstatt sie in einer unkontrollierten Explosion freizusetzen. Außerdem werden dadurch Wärme und Druck aus der Batterie abgelassen, um das Risiko eines Kurzschlusses oder eines Batteriebruchs zu verringern.
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