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Die zunehmende Verbreitung von elektrischen Energiespeicher und Flüssiggasspeicher ermöglichen eine erfolgreiche Transition zu einer CO2 neutralen Energieversorgung. Allerdings bringen neue Energiespeicher mit hohen Energiedichten auch zusätzliche Herausforderungen für die Feuerwehr der Zukunft mit sich. Insbesondere Lithiumbatterien können bei falscher Handhabung zum thermischen Durchgehen führen. Dies kann katastrophale Auswirkungen mit sich bringen. Der Umstieg auf Wasserstoff als neuen Energieträger birgt ebenfalls zusätzliche Risiken und Unsicherheiten für die Einsatzkräfte. Daher ist die Lageeinschätzung und der möglichen Gefahren am Einsatzort für die Feuerwehrkräfte essenziell notwendig.
Im Zusammenhang mit den Untersuchungen zu den Möglichkeiten von gekühlten Transporten von Lithiumbatterien werden unterschiedliche Zerstörungsmethoden vorgestellt und diskutiert. Insbesondere wird dabei das neu entwickelte Nageltool und die vorläufigen Untersuchungen für den Einfluss von Ultratiefkühlung auf unbeschädigte Lithiumbatterien vorgestellt.
Durch den gekühlte Transport von kritisch defekten Lithium-Batterien können Zellen unterhalb ihrer initialen Reaktionstemperatur inert und ohne thermisches Durchgehen sicher transportiert werden. Allerdings kann das Auftauen von kritischen Zellen je nach Beständigkeit der Kurzschlusses dennoch zum thermischen Durchgehen führen. Zusätzlich sollte ein direkter Kontakt mit dem Kühlmedium sollte unterbunden werden, da dieses sonst in die Zellen eindringen kann. Anhand der vorgestellten Ergebnisse zeigt sich zudem keine allgemeingültige sichere Transporttemperatur.
Obwohl Batterien und im Besonderen Lithiumbatterien bei normaler Benutzung sicher sind, kann ein Fehlerfall zu einem katastrophalen Event führen. Dabei können giftige Gase frei werden und es kann bis zum Brand der gesamten Batterie kommen. Daher muss der Transport beschädigter Batterien unter sicheren Bedingungen erfolgen. Die Zuständigkeit für den sicheren Transport kritisch defekter Batterien in Deutschland hat die BAM inne. In diesem Zusammenhang erforscht die BAM an sicheren Transportbedingungen, welche im Rahmen dieser Präsentation vorgestellt werden. Dabei zeigen Lithiumbatterien unterhalb einer individuellen Temperatur keinerlei Reaktionen bei kritischer Beschädigung. Diese Temperatur wird als initiale Reaktionstemperatur (IRT) definiert. Ferner kann diese IRT mit einem einfachen elektrischen Test bestimmt werden. Ein Auftauen nach der kritischen Beschädigung kann dennoch zum thermischen Durchgehen (TR) führen. Dieser kann jedoch zusätzlich auch lokal begrenzt auftreten. Das Schockfrosten während des laufenden TR führt nicht immer dazu, dass der TR gestoppt wird.
A high precision nail‐penetration (NP) tool for characterizing the mechanically induced thermal‐runaway (TR) of lithium‐ion battery (LIB) cells in a defined range of temperatures down to −140 °C was developed. To understand the cell specific behavior at low temperatures aiming at the determination of safe handling conditions, different scenarios are analyzed. First, accuracy tests of the NP‐tool regarding motion and penetration depth are conducted with cylindrical cells at different temperatures. Thus, postmortem computer tomographic (CT) images are compared to the data measured with the newly integrated 3‐axis force sensor which is further combined with a high‐resolution position sensor. The herein developed setup allows evaluation of the NP‐metrics at an accuracy of ±1 pierced electrode layer without CT‐scans. Further NP examinations at 20 °C of fully charged cylindrical lithium nickel manganese cobalt oxide cells reveal a reproducible minimum damage as a reliable TR‐trigger. Moreover, NP‐tests at low temperature disclose a relation of the short circuit conductivity and TR‐reactions during subsequent rethermalization to room temperature. Finally, the implementation of a novel fixture for a controlled very fast cooling of LIB‐cells during critical damage opens the way to investigate the individual steps during a TR and, thus, to gain important information of the specific TR‐mechanism of different LIB‐cells.
Exploring the electrochemical and physical stability of lithium-ion cells exposed to liquid nitrogen
(2024)
The transport and storage of lithium-ion (Li-ion) batteries — damaged or in an undefined state — is a major safety concern for regulatory institutions, transportation companies, and manufacturers. Since (electro)chemical reactivity is exponentially temperature-dependent, cooling such batteries is an obvious measure for increasing their safety.
The present study explores the effect of cryogenic freezing on the electrochemical and physical stability of Li-ion cells. For this purpose, three different types of cells were repeatedly exposed to liquid nitrogen (LN2).
Before and after each cooling cycle, electrical and electrochemical measurements were conducted to assess the impact of the individual freezing steps. While the electrochemical behavior of the cells did not change significantly upon exposure to LN2 , it became apparent that a non-negligible number of cells suffered from physical changes (swelling) and functional failures. The latter defect was found to be caused by the current interrupt device of the cylindrical cells. This safety mechanism is triggered by the overpressure of expanding nitrogen which enters the cells at cryogenic temperatures.
This study underlines that the widely accepted reversibility of LN2 -cooling on a material scale does not allow for a direct extrapolation toward the physical integrity of full cells. Since nitrogen enters the cell at cryogenic temperatures and expands upon rethermalization, it can cause an internal overpressure. This can, in turn, lead to mechanical damage to the cell. Consequently, a more appropriate temperature condition — less extreme than direct LN2 exposure — needs to be found
The transition towards zero carbon emissions in power generation hinges on the integration of efficient electrical energy storage systems, with lithium-ion batteries (LIBs) positioned as a pivotal technology. While generally safe, deviations in their operational guidelines due to manufacturing defects or misuse can lead to critical safety concerns, notably thermal runaway (TR) events. Internal short circuits (ISCs) are primary initiators of TR within LIBs. For abuse testing, ISCs are often triggered by nail penetration. This study explores the morphological changes and mechanisms underlying ISC-induced TR in LIBs using operando synchrotron X-ray computed tomography (SXCT) at subzero temperatures. A novel cryogenic setup was developed to control a stepwise temperature increase in the damaged sample while monitoring electrochemical characteristics and simultaneously enabling acquisition of high-resolution SXCT images. The findings reveal that conducting nail penetration at minus 80°C prevents immediate TR, enabling detailed analysis of subsequent structural and electrochemical behavior during controlled thawing. Thus, the initiation of TR processes at localized ISC sites has been observed, evidenced by voltage fluctuations and morphological changes, such as cathode material cracking and decomposition. These results underscore the importance of temperature control in mitigating TR risks and provide critical insights into the internal dynamics of LIBs under abusive conditions. The developed cryogenic SXCT methodology offers a powerful tool for non-destructive, high-resolution investigation of battery failure mechanisms, contributing to the enhancement of LIB safety.
Lithium batteries are the key technology for the successful implementation of the energy transition. Nevertheless, the consequences of thermal runaway of lithium batteries pose the greatest safety risk. In particular, the transport of damaged lithium batteries poses special challenges in order to minimize the effects of thermal runaway. By developing a precision nail test rig, the positive effects of cooling damaged lithium batteries can be investigated and safe transport temperatures identified.
Using low temperatures empowers in-depth investigations of abuse processes in Li-ion cells. A thermal runaway (TR) can be suppressed also on material level at low temperatures.The rethermalization of a critical damaged cell not always leads to a TR. Using the snyergies at BAM enables now In-depth investigation of low temperature inertisation mechanisms in commercial Lithium-Ion-Batteries. In future the synergies will be used for in-depth investigation of other abuse processes in commercial cells e.g., plating or aeging.
