3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien
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Due to their increasing energy density, lithium-ion-batteries (LIBs) play a key role in the traffic energy transition. Regarding their safety behavior, the main challenge of LIB-cells remains the thermal runaway (TR) process. In situ/operando investigations of the TR on commercial cells is possible with radiographic and computer tomographic measurements. Nonetheless, high resolution visualization of the TR persists as a challenge due to the high progression speed of the TR-process itself. Generally, performing abuse tests at cryogenic temperatures allows to slow down or even prevent the TR. Nevertheless, not all abuse methods are suitable for TR investigations at low temperatures. Nail penetration is an appropriate option, however, contains numerous unknown parameters and therefore suffers regarding reproducibility.
Herein, a self-developed high precision nail-penetration-setup is introduced, approaching the necessary mechanically reproducibility with controlled temperatures down to -190°C. The setup allows the preparation of critically abused, however, at cryogenic temperatures stable LIB-cells. These cells were controlled rethermalized to room temperature during synchrotron x-ray computer tomography (SXCT) with a pixel size up to 0.7 μm. During this measurement, the temperature and voltage of the cell is monitored allowing the visualization of the initial internal cell reactions. This study reveals the relation between internal reactions and cell voltage. Finally, the developed set-up enables in-depth analysis of thermal runaway behavior down to material level for various commercial battery cells in the future.
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.
AbstractLithium‐ion cells connected in series are prone to an electrical safety risk called overdischarge. This paper presents a comprehensive investigation of the overdischarge phenomenon in lithium‐ion cells using operando nondestructive imaging. The study focuses on understanding the behavior of copper dissolution and deposition during overdischarge, which can lead to irreversible capacity loss and internal short‐circuits. By utilizing synchrotron X‐ray computed tomography (SXCT), the concentration of dissolved and deposited copper per surface area is quantified as a function of depth of discharge, confirming previous findings. The results also highlight for the first time a nonuniform distribution pattern for copper deposition on the cathode. This research provides insights for safer battery cell design.
Adopting X-ray computed tomography (XCT) for ex-situ characterization of battery materials has gained interest in the past decade. The main goal of this paper is to demonstrate the effectiveness of several X-ray computer tomography techniques to study commercial batteries. General guidelines are provided to select the most suitable imaging equipment and parameters for investigations of lithium-ion batteries, spanning the length scales from cell to electrode, down to particle level. Relevantly, such parameters would also be suitable for operando experiments.
Safety mechanisms and manufacturing inconsistencies at cell level as well as defects and inhomogeneity in cathode and anode is illustrated and quantified. Furthermore, relation of beam energy and sample-detector-distance on contrast retrieved from attenuation and phase shift is inspected using Synchrotron XCT.
Die BAM ist zuständige Behörde in Deutschland für bestimmte Aufgaben im Gefahrgutbereich, die u. a. in § 8 der Gefahrgutverordnung Straße, Eisenbahn und Binnenschifffahrt (GGVSEB) und § 12 der Gefahrgutverordnung See (GGVSee) aufgeführt sind und hauptsächlich von den Abteilungen 2 und 3 wahrgenommen werden. So ist die BAM bspw. die in Deutschland für die Zulassung von Verpackungen und Tanks oder auch die Einstufung bestimmter gefährlicher Güter zuständige Stelle. Die BAM arbeitet des Weiteren als Kompetenzbehörde national und international in den entsprechenden Gremien mit und berät das BMDV in der Rechtsfortentwicklung der internationalen Vorschriften für den Gefahrguttransport. Dies geschieht u. a. durch die Mitarbeit im Ständigen Ausschuss Gefahrgutbeförderung (AGGB) des Gefahrgut-Verkehrs-Beirats beim BMDV und den zugehörigen Arbeitsgruppen, oder auch das Erstellen von Anträgen für Rechtsänderungen in den internationalen Vorschriften der Vereinten Nationen (UN) bzw. der Wirtschaftskommission für Europa der UN (UNECE) im Auftrag des BMDV. Die Beratung der betroffenen Wirtschaft und die Normungsarbeit sind weitere wichtige Themen. Die Expertise der BAM wird insbesondere durch Forschung im Gefahrgutbereich erhalten und weiter ausgebaut. Im Rahmen des Vortrags werden drei Forschungsbereiche vorgestellt, von denen zwei für die Energiewende von großer Bedeutung sind.