PLöPSS - Entwicklung von passiven Lösungen zur Hemmung der Propagation in stationären Speichersystemen

Laufzeit: 01/2021 - 12/2023
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: RRC power solutions GmbH; Stöbich technology GmbH
Projektfokus:
Thermisches Durchgehen einer 18650er Zelle in einem Batteriepack
© RRC power solutions GmbH
Thermisches Durchgehen einer 18650er Zelle in einem Batteriepack.
Simulationsergebnisse einer Pouchbag-Zelle (Verteilung der volumetrischen Wärmeerzeugungsrate)
© Fraunhofer ISE
Simulationsergebnisse einer Pouchbag-Zelle (Verteilung der volumetrischen Wärmeerzeugungsrate).

Die Umstellung der Stromversorgung auf erneuerbare, meist fluktuierende Energien verlangt nach einer temporären Zwischenspeicherung. Aufgrund ihrer spezifischen vorteilhaften Eigenschaften eignen sich hierfür insbesondere Lithium-Ionen Batteriespeicher. Allerdings müssen die Themen der Sicherheit und Zuverlässigkeit für diese Batterien in den Fokus der Entwicklungsarbeiten gerückt werden. Hier setzt das Projekt »PLöPSS« an, in dem die Sicherheit von Lithium-Ionen Batteriespeichern untersucht und propagationshemmende Lösungen entwickelt werden.

Konkret sollen durch konstruktive Maßnahmen die Wahrscheinlichkeit des thermischen Durchgehens verringert, die sicherheitskritischen Prozesse verlangsamt und ein Austreten im Havariefall aus dem Systemgehäuse verhindert werden. Dafür werden die rapiden Wärme- und Druckentwicklungen systematisch experimentell und simulativ behandelt sowie daraus die Anforderungen an die propagationshemmenden Materialien, an die Flammschutzkomponenten, ans Gehäuse und an die Gasführung abgeleitet.
 

Die zunehmende Umstellung der Stromversorgung auf fluktuierende erneuerbare Energien macht den Versatz zwischen dem Energieangebot und der Energienachfrage stärker. Diese Lücken können am besten durch eine Zwischenspeicherung ausgeglichen werden. Dabei kommen verschiedene Speichertechnologien in Frage, die größte Verbreitung erleben zurzeit jedoch die elektrischen Energiespeicher, allen voran die Lithium-Ionen Batteriesysteme aufgrund ihrer vorteilhaften spezifischen Eigenschaften wie hohe Wirkungsgrade, hohe erreichbare zyklische und kalendarische Lebensdauern sowie relativ hohe gravimetrische und volumetrische Energiedichten.

Aufgrund der großen Energiedichte von Lithium-Ionen Zellen kann jedoch durch falsche Handhabung, dem Versagen der Steuerungselektronik, als Spätfolge von Fertigungsfehlern oder auch altersbedingten Degradation beziehungsweise Anstieg des Innenwiderstands eine Einzelzelle thermisch durchgehen und kurzzeitig sehr große Wärmemengen, heiße, zum Teil toxische Gase und eine zerstörerische Druckwelle emittieren. Die entsprechenden Einwirkungen auf die Nachbarzellen können auch diese in kritische Zustände versetzen und so eine sogenannte Propagation verursachen.

Im Rahmen dieses Projekts bearbeiten die beteiligten Partner diese höchstrelevanten Sicherheitsfragen und entwickeln Lösungen für stationäre Batteriespeicher. Dafür werden die Themen der rapiden Wärme- und Druckentwicklung systematisch anhand von FEM-Simulationen und Experimenten unter definierten Laborbedingungen behandelt. Zur Beherrschung der Wärmeentwicklung sollen Parameterstudien zu Isolationsmaterialien, zusätzlichen wärmeableitenden Komponenten und PCM (Phasenwechselmaterialien) durchgeführt werden. Dabei werden die Einflüsse von Umgebungskomponenten wie Ableiter, ausgestoßene Gase und ggf. Feststoffe mitberücksichtigt. Für die Analyse der Druckwellenausbreitung werden die Referenz-Topologien der Speicher definiert und die Druckentwicklung in dieser Umgebung simuliert. Dadurch lassen sich die Anforderungen an die Flammschutzkomponenten, ans Gehäuse und die Gasführung bestimmen. Die Validierung erfolgt sowohl an Versuchsträgern von Einzelmodulen als auch an Funktionsmustern des Gesamtspeichersystems. Zum Schluss wird die Betriebsneutralität der eingesetzten Sicherheitsmaßnahmen überprüft. Aus den Ergebnissen dieser Untersuchungen und Entwicklungen versprechen sich die Partner ein Batteriespeicher, dessen Sicherheitsniveau deutlich über dem heutigen Standard liegt. Das gewonnene Verständnis über die Prozesse und die erzielten Ergebnisse zur Propagationshemmung werden auf viele andere Anwendungsgebiete übertragbar sein und maßgeblich zur Erhöhung der Sicherheit in allen Einsatzbereichen der Lithium-Ionen-Batterien beitragen.

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:

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