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Der Abschlussbericht stellt die wesentlichen Arbeitsschritte und Ergebnisse des Teilvorhabens der BAM im BMBF-Vorhaben SEE-2L vor. Im Rahmen dieses Vorhabens wurde auf dem Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) ein Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene entwickelt und aufgebaut. Im Zuge des Projektes konnte eine erste Versuchsserie zu den Auswirkungen des thermischen Durchgehens von Batteriemodulen durchgeführt werden. Der Abschlussbericht umfasst zwei Teile, im Teil I den Kurzbricht und im Teil II die eingehende Darstellung.
Die Transformation der Energienutzung von konventionellen zu erneuerbaren Quellen führt dazu, dass zukünftig mehr Energie effizient zwischengespeichert werden muss. Eine Möglichkeit der elektrochemischen Zwischenspeicherung bieten Lithium-Ionen-Batterien. Hierfür können ausgemusterte Automobilantriebsbatterien verwendet werden. Erfüllen sie die hohen Anforderungen des mobilen Bereichs nicht mehr, haben sie oftmals noch eine ausreichende Kapazität und Leistungsfähigkeit für die stationäre Zwischenspeicherung.
Neben der Verwendung der Batterien im größeren Maßstab, z.B. bei Energieversorgern, werden durch den vermehrten Einsatz von Photovoltaik-Anlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern verstärkt Zwischenspeicher für Privathaushalte nachgefragt. Dies birgt auch für Einsatzkräfte neue Herausforderungen in der Gefahrenabwehr.
Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „SEE-2L – Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in Second Life Anwendungen“ wurden Versuche mit Second Life Modulen durchgeführt. Verbundpartner im Projekt waren neben der vfdb die Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Zudem war das Institut der Feuerwehr Nordrhein-Westfalen eingebunden.
Die durchgeführten Versuche bilden eine Grundlage für die Einordnung der Batteriespeicher, z.B. aus Sicht des baulichen Brandschutzes, zur Methodik der Brandbekämpfung oder zur Risikobewertung hinsichtlich der Prozess- und Anlagensicherheit.
Im Beitrag werden die Versuchsergebnisse vorgestellt und Ansätze für deren Anwendung gezeigt. Um die gewonnenen Erkenntnisse zu vermitteln, wurde im Projekt zudem ein Schulungskonzept für Einsätze mit Lithium-Ionen-Technologien erarbeitet, das im Beitrag präsentiert wird. Es besteht aus theoretischen und praktischen Anteilen, sodass bei den Feuerwehren praxisnah aus- bzw. fortgebildet werden kann.
Im Rahmen des BMBF-Vorhabens SEE-2L wurde auf dem Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) ein Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene entwickelt und aufgebaut. Im Zuge des Projektes konnte eine erste Versuchsserie zu den Auswirkungen des thermischen Durchgehens von Batteriemodulen durchgeführt werden. Im Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der Versuche vorgestellt.
Einleitend wird im Vortrag das Aktivitätsfeld Elektrische Energiespeicher und -umwandlung vorgestellt sowie eine kurze Einführung in die Terminologie der elektrischen Energiespeicher gegeben. Im Folgenden wird das BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Hier wird der Schwerpunkt auf die Entwicklung und den Aufbau eines Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene gelegt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse einer ersten Versuchsserie vorgestellt. Zum Abschluss wird ein kurzer Ausblick zu weiteren anstehenden Versuchen gegeben.
The number of cars which use a battery for propulsion, like BEV (battery electric vehicle) or PHEV (plug-in hybrid electric vehicle), is increasing. Following, the probability of these car types being involved in car accidents will increase. In a worst-case accident scenario, the installed batteries could go under thermal runaway (TR). A TR could be initiated by various causes, e.g., high temperatures from outside, mechanical damage of the cells/modules/batteries or internal and external short circuits. During such an event, large amounts of heat and toxic and/or flammable gases are released. This poses a great hazard to people and property in the immediate vicinity. The paper describes a large-scale test series on the lithium-ion battery TR consequences of automobile cells and modules up to E = 6.85 kWh. Near field temperatures of ΔT > 800°C in a distance of l = 2 m were measured. During an overcharge test, fragment throwing distances of l > 30 m were detected. Subsequent gas explosions of the released gases were documented. Hydrogen fluoride (HF) was measured in all tests, from cell to module. The highestmeasured concentration was cHF = 76 ppm, which is significantly higher than the 30-min-level for AEGL 2 (acute exposure guideline level 2). Based on the experimentally determined consequences, concrete measures for the accident analysis are subsequently drawn.
The number of cars which use a battery for propulsion, like BEV (battery electric vehicle) or PHEV (plug-in hybrid electric vehicle), is increasing. Following, the probability of these car types being involved in car accidents will increase. In a worst-case accident scenario, the installed batteries could go under thermal runaway (TR). A TR could be initiated by various causes, e.g., high temperatures from outside, mechanical damage of the cells/modules/batteries or internal and external short circuits. During such an event, large amounts of heat and toxic and/or flammable gases are released. This poses a great hazard to people and property in the immediate vicinity. The paper describes a large-scale test series on the lithium-ion battery TR consequences of automobile cells and modules up to E = 6.85 kWh. Near field temperatures of ΔT > 800°C in a distance of l = 2 m were measured. During an overcharge test, fragment throwing distances of l > 30 m were detected. Subsequent gas explosions of the released gases were documented. Hydrogen fluoride (HF) was measured in all tests, from cell to module. The highest measured concentration was cHF = 76 ppm, which is significantly higher than the 30-min-level for AEGL 2 (acute exposure guideline level 2). Based on the experimentally determined consequences, concrete measures for the accident analysis are subsequently drawn.
Every technical system has a failure rate, including a lithium-ion battery. To minimize the effects in the event of a thermal runaway, it is necessary to know what consequences to expect. In the talk, current results from tests on the thermal runaway behaviour of lithium-ion batteries will be presented and conclusions drawn for the handling of those.
For a comprehensive safety assessment of stationary lithium-ion-battery applications, it is necessary to better understand the consequences of thermal runaway (TR). In this study, experimental tests comprising twelve TR experiments including four single-cell tests, two cell stack tests and six second-life module tests (2.65 kW h and 6.85 kW h) with an NMC-cathode under similar initial conditions were conducted. The temperature (direct at cells/modules and in near field), mass loss, cell/module voltage, and qualitative vent gas composition (Fourier transform infrared (FTIR) and diode laser spectroscopy (DLS) for HF) were measured. The results of the tests showed that the battery TR is accompanied by severe and in some cases violent chemical reactions. In most cases, TR was not accompanied by pregassing of the modules. Jet flames up to a length of 5 m and fragment throwing to distances to more than 30 m were detected. The TR of the tested modules was accompanied by significant mass loss of up to 82%. The maximum HF concentration measured was 76 ppm, whereby the measured HF concentrations in the module tests were not necessarily higher than that in the cell stack tests.
Subsequently, an explosion of the released vent gas occurred in one of the tests, resulting in the intensification of the negative consequences. According to the evaluation of the gas measurements with regard to toxicity base on the “Acute Exposure Guideline Levels” (AEGL), there is some concern with regards to CO, which may be equally as important to consider as the release of HF.
Meta-analysis of heat release and smoke gas emission during thermal runaway of lithium-ion batteries
(2023)
Herein a meta-analysis of 76 experimental research papers from 2000 to 2021 is given about possible effects on the thermal runaway of lithium-ion battery cells. Data on the hazards of gas emissions and released heat are related to each other and differentiated by cell properties such as, cell geometry, cathode type or state of charge. Quantitative information on the total heat release in the range of 2.0–112.0 kJ Wh−1, the peak heat release rate in the range of 0.006–2.8 kW Wh−1and the smoke gas emission were extracted, normalized in terms of cell energy (Wh), combined in a data library and compared graphically. The total amount of gas emitted (3–48 mmol Wh−1) as well as the released amount of carbon monoxide (1–161 mg Wh−1) and hydrogen fluoride (2–197 mg Wh−1) were investigated as a function of the state of charge and cell geometry. The analysis reveals that the measured values are significantly influenced by the types of calorimeters and smoke gas analyzers used as well as by the type of thermal runaway trigger. This meta-analysis can serve as an important basis for any risk assessment of lithium-ion batteries.
Composition and Explosibility of Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries Undergoing Thermal Runaway
(2023)
Lithium-based batteries have the potential to undergo thermal runaway (TR), during which mixtures of gases are released. The purpose of this study was to assess the explosibility of the gaseous emission from LIBs of an NMC-based cathode during thermal runaway. In the current project, a series of pouch lithium-based battery cells was exposed to abuse conditions (thermal) to study the total amount of gases released and the composition of the gas mixture. First, the battery cells were placed in a closed vessel, and the pressure and temperature rise inside the vessel were measured. In a second step, the composition of gases was analysed using a Fourier transform Infrared (FTIR) spectrometer.
We found that the amount of released gases was up to 102 ± 4 L, with a clear dependence on the battery capacity. This study showed that the concentration of gaseous emissions such as carbon monoxide (CO), methane (CH4), ethylene (C2H4), ethane (C2H6), and hydrogen cyanide (HCN) increased with higher cell capacity. Of the five studied flammable gases, the maximum concentrations of carbon monoxide (16.85 vol%), methane (7.6 vol%), and ethylene (7.86 vol%) were identified to be within their explosible range. Applying Le Chatelier’s law, a calculated lower explosion limit (LEL) of 7% in volume fraction was obtained for the gas mixture. The upper explosion limit (UEL) of the gas mixture was also found to be 31% in volume. A filter comprising pyrobubbles was used for the removal of the studied gas components released during the thermal abuse. The investigation revealed that the pyrobubbles filter was highly effect in the removal of HCN (up to 94% removal) and CO2 (up to 100% removal). Herein, we report the dependency of the method of thermal runaway trigger on the measured maximum temperature.
Der Vortrag stellt den aktuellen Bearbeitungsstand des Teilvorhabens an der BAM dar. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der ersten Versuchsserie mit Batteriezellen und -modulen bis zu 6.8 kWh. Darüber hinaus werden die weiteren geplanten Versuche vorgestellt sowie die Ergbnisverwertung aus dem Projekt aufgezeigt.
Die Sicherheit von Lithiumbatterien ist ein entscheidender Punkt beim Ausbau der Elektromobilität. Der Beitrag gibt zunächst einen Überblick über das Aktivitätsfeld der elektrischen Energiespeicher an der BAM. Im weiteren werden sowohl die Projekte HaCLIB (Hazard Classification ofLithium-Ion Batteries) als auch SEE-2L (Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in 2nd-Life Anwendung) vorgestellt. Darüber hinaus werden noch die hoheitlichen Aufgaben der BAM im Bereich des Transports von kritisch defekten Batterien erläutert.
Der Vortrag stellt den aktuellen Bearbeitungsstand des Teilvorhabens an der BAM dar. Neben dem eigentlichen Aufbau werden auch Herausforderungen bei der Beschaffung der Einzelkomponenten sowie Ergebnisse aus der Literaturrecherches zu den Auswirkungen von Li-Batteriespeichern beim thermischen Durchgehen vorgestellt. Als Abschluss wird noch ein Ausblick auf die anstehenden Probeversuche gegeben.
In this study, 19 experiments were conducted with 25 pouch cells of NMC cathode to investigate thermal runaway and the release of gases from lithium-ion batteries (LIBs). Single cells, double cells, and a four-cell battery stack were forced to undergo thermal runaway inside an air-tight reactor vessel with a volume of 100 dm3 . The study involved two series of tests with two types of ignition sources. In the Series 1 tests, a heating plug was used to initiate thermal runaway in LIBs in the ranges of 80–89% and 90–100% SOC. In the Series 2 tests, a heating plate was used to trigger thermal runaway in LIBs in the ranges of 30–50%, 80–89%, and 90–100% SOC. Thermal runaway started at an onset temperature of 344 ± 5 K and 345 K for the Series 1 tests and from 393 ± 36 K to 487 ± 10 K for the Series 2 tests. Peak reaction temperatures ranged between 642 K and 1184 K, while the maximum pressures observed were between 1.2 bar and 7.28 bar. Thermal runaway induced explosion of the cells and lead to a rate of temperature increase greater than 10 K/s. The amounts of gases released from the LIBs were calculated from pressures and temperatures measured in the reactor.
Then, the gas composition was analyzed using a Fourier transform infrared (FTIR) spectrometer. The highest gaseous production was achieved at a range of 90–100% SOC and higher battery capacities 72 L, 1.8 L/Ah (Series 1, battery stack) and 103 L, 3.2 L/Ah (Series 2, 32 Ah cell)). Among the gases analyzed, the concentration of gaseous emissions such as C2H4 , CH4 , and C2H6 increased at a higher cell capacity in both series of tests. The study results revealed characteristic variations of thermal behavior with respect to the type of ignition source used.
Der Vortrag stellt den aktuellen Bearbeitungsstand des Teilvorhabens an der BAM dar. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der ersten Versuchsserie mit Batteriezellen und -modulen bis zu 6.8 kWh. Aus diesen Versuche werden die wesentlichen Ergebnisse gezeigt, insbesondere die Teperatur-, Spannungs, Gas- und Gewichtsmessung beim thermischen Durchgehen.
Der Vortrag stellt potentielle sicherheitstechnische Fragestellungen beim weiterten Ausbau der stationären elektrischen Energiespeicher (EES) in Deutschland dar. Darüber hinaus werden aktuelle Aktivitäten und Projekte der BAM mit Bezug zur Sicherheit von Lithiumbatterien und stationären elektrischen Energiespeichern vorstellt.
Lithium ion batteries (LIBs) are prone to spontaneous and subsequent fire or explosion resulting from thermal runaway. The vented gases are not only toxic and flammable, their emission can also raise the surrounding pressure rapidly. In this study, characteristic variations of explosion pressure rise, rate of explosion pressure rise and 𝐾(sT)-value have been evaluated. The characteristic 𝐾(𝑠𝑇)-values were determined to evaluate the explosive behavior of LIBs during thermal runaway. The estimated values were compared to that of other explosive substances.
Der Vortrag stellt das BMBF-Verbundprojekt SEE-2L (Sicherheit elektrochemischer Energiespeicher in Second Life Anwendung) vor. Darüber hinaus werden Ergebnisse aus Vorversuchen der Universität Magdeburg vorgestellt, in denen Untersuchungen an Batteriezellen hinsichtlich der Gasfreisetzung beim thermischen Durchgehen durchgeführt wurden.