Experimentelle Nachbildung von internen Kurzschlüssen in Lithium-Ionen-Pouchzellen mittels präziser Nadelpenetration

Die Lithium-Ionen-Zelle ist ein weit verbreiteter elektrischer Energiespeicher und Bestandteil vielfältiger technischer Produkte. Die bekannte Sicherheitsproblematik dieser Speichertechnologie stellt häufig größere Herausforderungen für den praktischen Einsatz dar. Das Verlassen der Betriebsgrenzen, die Einwirkung mechanischer Kräfte oder interne Produktionsfehler können aufgrund der hohen Energiedichte und der Verwendung reaktionsfreudiger Materialien zu einem „Thermischen Durchgehen“ der Zelle führen. Der interne Kurzschluss, also der zellinterne elektrisch leitende Kontakt beider Elektroden stellt hierbei einen besonders relevanten und gefährlichen Fehlerfall dar. Genau dieser Fehlerfall ist derzeit jedoch noch nicht vollständig verstanden. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die fehlende Möglichkeit einen realitätsnahen internen Kurzschluss zuverlässig nachbilden zu können. Die derzeit häufig angewandte Nagelpenetration, als Bestandteil vieler Normen, bildet viele Fehlerursachen des internen Kurzschlusses, insbesondere die Dendritenbildung und die Partikelkontamination, aufgrund geringer Lokalität nicht realistisch nach. Sie liefert somit nur unzureichende Erkenntnisse zur Charakteristik eines solchen internen Kurzschlusses. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur realitätsnahen Nachbildung von internen Kurzschlüssen in Pouchzellen entwickelt und an mehr als 30 Zellen erfolgreich angewendet. Hierfür wird als Nadelpenetration eine dünne Nadel (Kanüle) präzise und mit einer geringen Vorschubgeschwindigkeit (1 µm/s) von außen in die Zelle eingestochen. Die Minimierung von äußeren Störgrößen (z.B. eine konstante Zelltemperatur) ermöglicht es, die auftretenden Streuungen auf den internen Kurzschluss selbst zurückzuführen und so eine fundierte Fehlerbewertung abzuleiten. Aus der umfangreichen Zustandscharakterisierung leitet sich bisher fehlendes Wissen zur Entstehung, Entwicklung und möglichen Detektion des internen Kurzschlusses ab, welche für die praktische Anwendung hohe Relevanz besitzen und dabei helfen, das ausgehende Risiko eines internen Kurzschlusses zu minimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es in vielen Fällen zu einem dynamischen Prozess der Fehlerentwicklung kommt, welcher sich insbesondere durch wiederholte kurzzeitige Spannungsabsenkung mit darauffolgender schneller Spannungserholung (Relaxation) charakterisiert. Dieser dynamische Zustand kann zum spontanen „Thermischen Durchgehen“ der Zelle führen. Oftmals bildet sich jedoch nach einigen Minuten ein konstanter hochohmiger interner Kurzschluss aus, welcher die Zelle zunächst unauffällig aussehen lässt. Besonders kritisch ist hierbei, dass für den weiteren Betrieb eine Gefährdung durch eine irreversible Strukturbeschädigung gegeben ist, die sich allerdings durch keine zerstörungsfreie elektrochemische Messmethode zuverlässig nachweisen lässt. Hieraus leitet sich als neue Erkenntnis die Notwendigkeit ab, den internen Kurzschluss sofort bei der ersten Entstehung durch eine genaue, hinreichend schnelle Spannungserfassung frühzeitig zu erkennen und daraufhin Maßnahmen zur Gefährdungsminimierung einzuleiten.