3.1 Sicherheit von Gefahrgutverpackungen und Batterien
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In den deutschen Zulassungen für Gefahrgutverpackungen muss der minimale Schüttwinkel angegeben werden, für den die Verpackung verwendet werden darf. Dieser fungiert als Maß für die Fließeigenschaften pulverförmiger oder körniger Stoffe und ist wichtig für die Sicherheit beim Gefahrguttransport. In den Prüfstellen existiert jedoch eine Reihe von Messmethoden für diese Kenngröße. In der Vergangenheit war hierbei unklar, welche dieser Methoden für welche Prüffüllgüter prinzipiell geeignet sind. Die BAM nahm dies zum Anlass, die gebräuchlichen Messmethoden systematisch zu untersuchen. Dieser Artikel gibt einen Gesamtüberblick über die Ergebnisse und stellt die Schlussfolgerungen für die Prüfpraxis in den anerkannten Prüfstellen für Gefahrgutverpackungen dar.
Die Fließeigenschaften fester Gefahrgüter spielen für die Sicherheit beim Gefahrguttransport eine wichtige Rolle. Diese haben einen Einfluss sowohl auf die mechanische Sicherheit der verwendeten Verpackung als auch auf die Freisetzung fester Substanzen unter normalen Beförderungsbedingungen aufgrund ungenügender Staubdichtheit. Bei festen Gefahrgütern kann es sich entweder um pulverförmige oder um körnige Stoffe handeln. Um der sicherheitsrelevanten Bedeutung der Fließeigenschaften fester Füllgüter Rechnung zu tragen, muss in den deutschen Zulassungen für Gefahrgutverpackungen der minimale Schüttwinkel angegeben werden, für welche die Verpackung verwendet werden darf. In der Praxis der Prüfstellen existiert jedoch eine Reihe von Messmethoden für diese Kenngröße. In der Vergangenheit war hierbei unklar, welche dieser Methoden für welche Prüffüllgüter prinzipiell geeignet sind. Es ist jedoch essenziell, die Vor- und Nachteile sowie die Grenzen der einzelnen Verfahren zu kennen. Dieser Artikel gibt eine Einführung in die Thematik und in experimentelle Untersuchungen, die in der BAM durchgeführt wurden, um eine Klärung herbeizuführen. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in einem Folgeartikel vorgestellt.
The BAMline at the synchrotron X-ray source BESSY II (Berlin, Germany) is supporting researchers especially in materials science [1]. As a non-destructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, especially tomography (SXCT) with hard X-Rays, plays an important role in structural 3D characterization. The imaging capabilities allow for in-situ and operando experiments. In this presentation the equipment, data handling pipeline as well as various examples from material science are presented.
In series-connected lithium-ion cells are susceptible to an electrical safety hazard called over-discharge. Here the behavior of copper dissolution and deposition during over-discharge is presented, which leads to irreversible loss of capacity and internal short circuits. The concentration of dissolved and deposited copper is quantified. Also, a non-uniform distribution pattern of copper deposition on the cathode is shown.
The second example deals with an Al alloy 7017 customized for a 3d-printing process by means of laser-based powder bed fusion (PBF-LB) technique. These advanced alloys have a significantly higher modulus of elasticity than conventional Al alloys, making them attractive for applications requiring high stiffness. SXCT during In-situ tensile tests confirmed that fracture initiation strongly depends on defects created during printing. However, the cracks are deflected from decohesion around inclusions/precipitates embedded in the Al matrix, increasing ductility.
Low temperature cofired ceramic (LTCC) multilayer housings offer 3D-circuits for a wide range of applications in telecommunications, microsystems and sensor technology. Such housings are produced by combining structured and metallized ceramic layers using tape-casting and multilayer technology. The characterization of the integrity, deformation, defects, and positioning of the internal metal features was carried out using in-situ SXCT at up to 950°C.
A high-precision nail penetration tool was developed to characterize the mechanically induced thermal runaway (TR) of lithium-ion battery (LIB) cells in a dynamic temperature range down to -190 °C. To investigate safety-specific low-temperature transport conditions, the damaged cells were tomographically imaged during thawing.
In the approval process of dangerous goods packagings, drop tests onto a flat, essentially unyielding surface are used to assess resistance against mechanical damage. International adopted regulations like ADR and RID define filling good dependent drop heights and filling degrees whilst the user needs to define the maximum gross mass to be tested and approved. Maximum packaging gross mass is defined conservatively and not reached in practice. To meet the defined gross mass in testing, using additives is permitted. However, in some cases, additives are not desirable due to packaging design or filling substance properties. This leads to deviations from the initial gross mass definition. Hence, a certain drop height adjustment is necessary to achieve the required impact loading. Laboratories frequently adjust drop height assuming a perfectly elastic collision which is inaccurate. Appropriate adjustment is not trivial due to energy conversion processes, e.g., plastic deformation. In this work, a test stand is developed for measuring the change in kinetic energy of different packaging designs and filling substances in regulative drop tests. The experimental results are used to validate finite-element (FE) models so that packaging properties can be varied in simulated drop test scenarios. The findings intend to describe the appropriate drop height adjustment of the respective packaging with same design but deviating gross mass to produce comparable mechanical response. The results are highly beneficial for testing laboratories, approval issuing authorities and packaging institutes confronted with the problem of testing packages with gross masses other than those to be approved.
A damaging action of HNO3-55% only occurs in combination with its decomposition into nitrous gases, which can be caused by UV radiation. In a laboratory test, transparent HDPE jerrycans have been exposed to both UV radiation and 55 wt-% nitric acid solution at (41 ± 2)°C, for up to 20 days. For comparison, UV radiant exposure (21 days) and nitric acid exposure (up to 6 weeks) were performed separately, at nearly equal temperatures. The respective damages are compared with FTIR spectroscopy in ATR and HT-gel permeation chromatography (GPC) on a molecular level and with hydraulic internal pressure testing as a component test. For the used jerrycans, relevant oxidation can only be found after the combined exposure. The gradual increase in oxidative damage shows the good reproducibility of the lab exposure. The decomposition of nitric acid into nitrous gases by UV radiation – as well as the jerrycan oxidation – is also observed at lower HNO3 concentration (28 wt- %). Similar results are obtained after outdoor tests. Again, the damage occurs only after combined exposure, in contrast to the exposures to UV only and to HNO3 only, which were conducted in parallel. Outdoor exposures are most readily accepted as they represent possible end-use conditions. However, the reproducibility of these exposures is poor due to the large temporal variations in weather. There are also several safety risks, which is why the number of replicates remains limited. Since the outdoor and lab exposure tests show the same qualitative results, it is appropriate to conduct systematic studies in the laboratory. After 6 days of lab exposure, the oxidation damage is rated as critical, which corresponds to about 1/10 year in Central Europe, according to the UV radiant exposure. It should be noted that this amount can also occur in two sunny weeks.
A damaging action of HNO3-55% only occurs in combination with its decomposition into nitrous gases, which can be caused by UV radiation. In a laboratory test, transparent HDPE jerrycans have been exposed to both UV radiation and 55 wt-% nitric acid solution at (41 ± 2)°C, for up to 20 days. For comparison, UV radiant exposure (21 days) and nitric acid exposure (up to 6 weeks) were performed separately, at nearly equal temperatures. The respective damages are compared with FTIR spectroscopy in ATR and HT-gel permeation chromatography (GPC) on a molecular level and with hydraulic internal pressure testing as a component test. For the used jerrycans, relevant oxidation can only be found after the combined exposure. The gradual increase in oxidative damage shows the good reproducibility of the lab exposure. The decomposition of nitric acid into nitrous gases by UV radiation – as well as the jerrycan oxidation – is also observed at lower HNO3 concentration (28 wt- %). Similar results are obtained after outdoor tests. Again, the damage occurs only after combined exposure, in contrast to the exposures to UV only and to HNO3 only, which were conducted in parallel. Outdoor exposures are most readily accepted as they represent possible end-use conditions. However, the reproducibility of these exposures is poor due to the large temporal variations in weather. There are also several safety risks, which is why the number of replicates remains limited. Since the outdoor and lab exposure tests show the same qualitative results, it is appropriate to conduct systematic studies in the laboratory. After 6 days of lab exposure, the oxidation damage is rated as critical, which corresponds to about 1/10 year in Central Europe, according to the UV radiant exposure. It should be noted that this amount can also occur in two sunny weeks.
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
Ziel des Vorhabens war es, den Einfluss der realen Temperaturbelastung auf Atemschutzflaschen und Lithiumbatterien in Funkgeräten (FG) im Löscheinsatz von Rettungskräften zu ermitteln und deren Auswirkung auf die Alterung und Lebensdauer sowie die potenziellen Gesundheitsgefahren bei deren Nutzung besser beurteilen zu können und Handlungshilfen abzuleiten.
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden zum einen unterschiedlich thermisch gealterte Composite-Atemluftflaschen systematisch hinsichtlich ihrer Restfestigkeiten untersucht. Zum anderen wurden Lithiumbatterien aus FG hinsichtlich der Einwirkung von kritischen Temperaturen untersucht, ab denen es zu einem thermischen Durchgehen der Batterien kommen kann. Für diese beiden wichtigen Komponenten, Lithiumbatterien und Composite-Atemluftflaschen, wurden kritische Temperatur-Zeit-Profile ermittelt, die Auswirkungen durch geeignete Methodiken untersucht und die sich ergebenden Gefährdungen für den Träger bewertet.
Als Methodische Vorgehensweise wurden durch Realversuche die tatsächlichen und zuvor durch Literatur-recherche ermittelten Temperaturprofile verifiziert und auf deren Grundlage die Laborbelastungen abgeleitet. Um den Eigenschaften der aus Faserverbundwerkstoffen hergestellten Composite-Atemluftflaschen Rechnung zu tragen, wurden an zwei repräsentativen Baumustern unterschiedlicher Hersteller Stichprobengruppen unterschiedlicher thermischer Belastung ausgesetzt und hinsichtlich ihrer verbleibenden Restfestigkeitsabnahme geprüft und mit thermisch unbelasteten Baumustern verglichen. Neben den statischen Berstversuchen wurden auch kombinierte Alterungs- und Restfestigkeitsuntersuchungen an zyklisch belasteten Behältern durchgeführt.
Die FG wurden thermisch sowohl statischen als auch zyklischen Belastungen ausgesetzt und mit Kapazitätsmessungen begleitet. Die statischen Versuche dienten dem Zweck, die maximale thermische Belastbarkeit der Akkus zu ermitteln, bei der noch kein Versagen auftritt. Bei den zyklischen Versuchen wurde der Temperaturverlauf bei Löscheinsätzen so nah wie möglich im Labor nachgestellt. Hierbei wurden die Akkus wiederholt einem Belastungsprofil mit konstanter Temperatur ausgesetzt und nach einigen Intervallen die Restkapazitäten am Akku gemessen und so die Degradation bestimmt.
Als Fazit der im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführten Untersuchungen an zwei repräsentativen Baumustern von Atemschutzflaschen kann gefolgert werden, dass die thermischen Belastungen abhängig vom Baumuster einen z.T. deutlichen Einfluss auf die Restfestigkeiten der Atemschutzflaschen haben. Höhere thermische Exposition ist, zumindest an den untersuchten Atemschutzflaschen, deutlich zu erkennen und die Flaschen können durch die zuständigen Gerätewarte leicht ausgesondert und ersetzt werden. Die thermischen Belastungen, wie sie im Rettungseinsatz auftreten, waren für die untersuchten Atemschutzflaschen und die Rettungskräfte nicht kritisch sind. Die langjährige Erfahrung etablierter Hersteller dürfte hier aber nicht ohne Einfluss sein. Es ist somit kein Grund erkennbar, von der Verwendung der leichteren Typ 4 Atemschutzflaschen abzuraten, wenn Atemschutzflaschen, die visuell erkennbare thermische Einwirkungen (Farbänderungen, Materialschmelzungen o.ä.) aufweisen, unmittelbar ersetzt werden.
Die Ergebnisse an den FG zeigen, dass trotz hoher Temperaturen keine Selbstentzündung der Lithiumbatterien ausgelöst wird. Der Kapazitätsverlust der Batterien infolge der Belastung führt ebenfalls nicht zu einem Funktionsausfall. Es konnte gezeigt werden, dass die Kapazitätsbestimmung als zuverlässiges und geeignetes Kriterium für die Sicherheitsbewertung der Akkus herangezogen werden kann, wenn die Kapazitätsmessung bei gleichbleibenden Bedingungen (gleiche Raumtemperaturen, gleiche Messgeräte, etc.) stattfindet. Es wird empfohlen, die Akkus ab einer Restkapazität von unter 80% zu tauschen. Als schnelle und sehr einfache Überprüfung kann eine Sichtprüfung an den FG stattfinden. Die im Projekt verwendeten FG zeigten eine Verformung der Kunststoffhülle bei zu hohen Belastungen.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.