Lithium-Ionen-Batterien zur Verwendung im Explosionsschutz

Neben den Normenanforderung im Explosionsschutz gibt es eine Vielzahl an weiteren Normen (z.B. IEC 62133-2, UL 1642) der unterschiedliche Normungsorganisationen (DIN, IEC, IEC, UL, SAE, SAND, GB…), die auch anhand der Verwendung in z.B. Kraftfahrzeugen oder Konsumerelektronik Anforderungen definieren. Auch Aufgrund der Wichtigkeit von Fahrzeugen liefert die UN ECE R 100 einen Überblick über wichtige Anforderungen, wie z.B. auch der Transport von Zellen und Batterien. In der UN Empfehlung T 38.3 werden relevante Prüfungen für wieder aufladbare Zellen und Batterien ausführlich beschrieben, woraus sich Missbrauchsszenarien ableiten lassen (Abb. 1).

Grundsätzlich wird zwischen mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen unterschieden. Durch geeignete Maßnahmen können die Zellen und Batterien geschützt werden.

Die sekundären Lithium-Ionen-Zellen bestehen aus einer positiven Elektrode, die als Kathode bezeichnet wird, und einer negativen Elektrode, der Anode. Zwischen der Kathode und der Anode ist der Elektrolyt, der zum Ionentransport zwischen den Elektroden dient. Ein Separator isoliert die Elektroden voneinander.

Beim Laden kommt es zu der Interkalation, bei der die Lithium-Ionen, die aus dem Kathodenmaterial gelöst werden, sich in der Graphitschicht der Anode einlagern. Bei dem Entladen werden die Lithium-Ionen wieder freigegeben und wandern durch den Elektrolyten zurück zur Kathode. Die dabei freigewordenen Elektronen fließen über die Ableiter der Elektroden durch den Verbraucher. Als Kathodenmaterial wird beispielsweise Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA), Eisenphosphat (LFP), Lithium-Kobaltoxid (LCO) oder Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) eingesetzt. Im Zusammenspiel mit einer Graphitanode ergeben sich eine mittlere Leerlaufspannung von ca. 3,6 Volt [2]. Das Funktionsprinzip entspricht streng genommen nicht der Definition einer Zelle gemäß IEC/EN 60079-0, wo von einem chemischen Speicher gesprochen wird.

Mittels Impedanzspektroskopie kann der Verlauf des Wechselstrom-Innenwiderstandes in Abhängigkeit der Frequenz aufgenommen werden (Abb. 3). Der Verlauf spiegelt die Prozesse in Abhängigkeit der Zeit innerhalb der Zelle wider, woraus sich auch bedingt durch den Vergleich Neu- und Istzustand die Alterung einer Zelle ableiten lässt.

In Datenblättern wird häufig der Widerstand R₀ angegeben, der bei einer Frequenz größer gleich 1 kHz gemessen werden kann. Der Innenwiderstand muss auch in Abhängigkeit des SOC, der Temperatur sowie der Stromrichtung betrachtet werden. Die reale Spannung (U_Bat) am Ausgang der Batterie ist demnach von der Belastung abhängig.

Lithium-Ionen-Zellen finden im Konsumer-Bereich und in der Mobilität eine sehr weite Anwendung und werden in sehr großen Zahlen und verschiedensten Varianten gefertigt. Havarien von Lithium-Ionen-Zellen treten auf und haben verschiedene Ursachen. Die Temperatur ist eine wesentliche Ursache für den sogenannten „Thermal Runaway“ und führt zu einer Kausalkette, an deren Ende die Gefährdung für Personen steht (Abb. 4).

Die Bewertung von Fehlerszenarien hinsichtlich ihrer Auftrittswahrscheinlichkeit könnte beispielsweise wie folgt aussehen. Als seltene Fehler könnten insbesondere die kritischen Zustände der Über- und Tiefenentladung angesehen werden. Das Batteriemanagementsystem (BMS) übernimmt die Überwachung des Lade- und Entladevorgangs und verhindert diese Zustände. Ein Ausfall des BMS kann mittels Selbstdiagnose detektiert und die notwendigen Sicherheitsschritte (z.B. Betriebsmittel abschalten) eingeleitet werden. Nichtdestotrotz sollte folglich das Laden in der explosionsfähigen Atmosphäre vermieden werden. Auch die Produktionsfehler mit Langzeitauswirkungen könnten als seltene Fehler aufgefasst werden. Durch hochwertige Qualitätsüberprüfung der Hersteller könnte dieser Fehler minimiert werden. Anforderungen an Lithium-Ionen-Zellen sind in IEC 62133-2 enthalten und sollten auch für Ex-Geräte angewendet werden.

Eine Normenanforderung im Explosionsschutz ist die Bestimmung der Temperatur der Zelle im externen Kurzschlussfall. Während der äußere Kurzschlusswiderstand in vielen Normen mit 80 mΩ angegeben wird, schreibt die EN/IEC 60079-11 einen Wert von 3 mΩ vor. Da es sich beim Kurzschlussversuch um eine Reihenschaltung aus dem Innenwiderstand (R₁) der Zelle und dem äußeren Kurzschlusswiderstand (R₂) handelt (Abb. 6), wird die Energie der Zelle nur in der Zelle umgesetzt, wenn R₁»R₂ ist.

Die gespeicherte Energie der Zelle bestimmt sich aus dem Produkt der Ladung und der Spannung:

Wird die gespeicherte Energie der Zelle ausschließlich in thermische Energie in der Zelle umgewandelt gilt:

und mit

folgt

Die Berechnung kann als erste Abschätzung der zu erwartenden Übertemperatur genutzt werden, jedoch fordert die Norm die Durchführung eines Versuches. 
 

Beispiel Kurzschlussversuch

Da bei einem Kurschlussversuch ein Thermal Runaway der Zelle nicht ausgeschlossen werden kann, sollte der Versuch in einem gekapselten Gehäuse durchgeführt und die auftretenden Gase gefiltert abgeführt werden. Abbildung 7 zeigt eine Lithium-Ionen-Zelle, bestückt mit Thermoelementen in einem druckfesten Gehäuse. Batterieanschlussleitungen sowie eine Möglichkeit der Gaszufuhr und -abfuhr wurden ebenfalls vorgesehen.

Innerhalb der 2 Minuten erhöht sich die Temperatur der Zellaußenhülle um ca. 120 K und klingt dann langsam ab (Abb. 9).
 

Die Zelle ist nicht in den Thermal Runaway gegangen, hat sich durch die interne Gasbildung jedoch aufgebläht.
 

Der sichere Betrieb von Lithium-Ionen-Zellen erfordert eine Überwachung des Betriebszustandes, um die wesentliche Gefährdung der Havarie zu minimieren. Derartige Anforderungen sind nicht in den Normen für den Explosionsschutz explizit festgelegt. Lithium-Ionen-Zellen können nur in einem definierten Spannungsbereich betrieben werden, um ein Über- oder Unterladen der Zelle zu vermeiden. Aufgrund des geringen Innenwiderstandes von Lithium-Ionen-Zellen kann ein sehr hoher Strom fließen, der ein Vielfaches des Betriebsstromes betragen kann. Die Lebensdauer/Alterung einer Zelle ist von Faktoren wie Temperatur oder Überlast abhängig. 
In der (Abb. 11) ist beispielhaft der Betriebsbereich einer Lithium-Ionen-Batterie gezeigt [4].

Der grüne Bereich gilt als Verwendungsbereich für eine erhöhte Lebensdauer (SOH) einer Zelle, während der gelbe Bereich das Betriebsfenster abbildet. Die Temperatur bezieht sich neben der Umgebungstemperatur auch auf die Eigenerwärmung der Zelle im Betrieb, so dass bei maximal 60 °C die maximale Umgebungstemperatur deutlich darunter liegen sollte. Darüber hinaus kann die Zelle nicht betrieben werden, ohne dass bereits erste chemische Prozesse zur Zerstörung der Zelle einsetzen. 
Für die Überwachung der Parameter für den sicheren Betriebszustand der Zelle ist das Batteriemanagement (BMS) verantwortlich, welches die Spannungs- und Stromwerte der Zelle sowie die Temperaturentwicklung überwacht. Das BMS ist Bestandteil eines jeden Mobiltelefons oder Tablets. Eine Beurteilung dieser Sicherheitseinrichtung für den sicheren Betrieb des explosionsgeschützten Gerätes während seiner gesamten Lebensdauer ist erforderlich.