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Lithium-ion battery (LIB) powered devices, such as laptops, mobile phones and power tools are ubiquitous in our daily lives. Moreover, LIBs are essential for the electrification of vehicles, and play an important role for stationary storage units needed for grid-balancing. The improvement of LIBs, in terms of increasing energy density as well as cycle-life and decreasing costs, is tackled by numerous research groups all over the world. In the last years, research regarding safety aspects has steadily gained more interest. The safety of LIBs can be implemented at different levels, such as material, cell, battery and system level.
The abuse/misuse of an LIB can lead to an internal increase in heat which can trigger a chain of exothermic reactions on cell level. Thus, the cell temperature increases dramatically causing the so-called thermal runaway (TR). This process can lead to flames and/or explosion of the cell. Furthermore, the TR of one cell can initiate the TR of adjacent cells causing the so-called propagation, possibly, leading to the TR of the whole battery.
Herein, we will show the latest result of our safety tests on cell level employing an external heater as TR-trigger. Regarding single cell tests, we will compare different hazardous features during the TR, e.g., cell temperature, occurrence of flames, peak pressure, and toxic gases, depending on the cell format, cell energy and the cathode type. The same cell parameters will be used to discuss the results of the propagation tests. Moreover, the influence of the state of charge (SOC) and the present atmosphere (air vs. N2) as well as the repeatability will be discussed. Overall, the study comprises over 180 tests on cell level.
The findings regarding the TR behaviour can be used to create a hazard-classification scheme of LIBs, e.g., allowing the definition of (cell type specific) conditions for a safe transport. Furthermore, the results can increase the general understanding of the TR mechanism promoting the development of advanced measures to enhance the safety on cell level in the future.
Deconvoluting the impact of early-life abuse conditions on the degradation of lithium-ion cells
(2023)
The successful repurposing of degraded lithium-ion (Li-ion) batteries in second-life applications is a vital step towards achieving a circular economy. While reusing aged Li-cells is a promising way of mitigating their overall environmental footprint, it is crucial to anticipate their future safety and performance characteristics . Unfortunately, predicting these properties is a cumbersome task, essentially caused by limited knowledge of the interference of different degradation modes in the cells’ first life.
To still enable estimating of these parameters from a current state, the present study systematically investigates the impacts of abusive conditions in an early phase of the cells’ life on their subsequent degradation behavior. For this purpose, individual Li-cells are initially stressed by different measures such as overcharging, deep-discharging, plating, and deliberate combinations of the aforementioned methods. Electrochemical performance indicators are monitored during subsequent cycling of the cells which provides insights into the interdependencies of different degradation modes induced by specific stress conditions. In this manner, it is clarified whether or not the total degradation can be determined by a convolution or a superposition of individual deterioration effects and, thus, be described as a multidimensional state function.
This knowledge will finally contribute to a better understanding of the performance and safety behavior of degraded Li-ion batteries which can help to successfully implement them into second-life applications.
Understanding the safety characteristics of aged Lithiumion
(Li-ion) batteries is essential for their effective
integration into second-life applications. The SafeLiBatt
project is a research initiative focused on evaluating
safety-related parameters of these batteries.
The presented study elucidates the impact of a cells’
state of health (SOH) on its safety behavior. Four highpower
pouch cells (Li-NMC622) were exposed to elevated
temperatures to achieve accelerated ageing. Subsequent
thermal abuse tests were utilized to assess crucial
parameters related to the thermal runaway (TR).
When compared to their non-aged (begin of life, BOL)
analogs, the aged cells implicated a TR-onset lowered by
about 10 – 20 K.
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.
Task 3 of Work package 8 (Spent Fuel Characterization) of the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of the work is to understand and describe the be-haviour of spent nuclear fuel (SNF), irradiated cladding, fuel/cladding chemical interaction (FCCI) and ageing under conditions of extended interim storage, transportation and em-placement in a final disposal system. BAM contributes to the project as partner and leads Task 3. The presentation gives an overview of the project status, main achievements in experimental work and modelling studies, deviations from the plan, delays and challenges ahead.
The prevention of brittle fracture of spent fuel claddings during long-term dry interim storage is based on experimental investigations, numerical analyses and assessment methods for predicting the mechanical behavior and determining limiting conditions. The ring compression test (RCT) is an established experimental method for characterizing cladding material. Test results for various high-burnup pressure water reactor zirconium-based fuel cladding alloys (e.g., ZIRLO®, M5®) are publicly available. To reduce the effort associated with irradiated samples in hot cells, it is helpful to perform studies on unirradiated surrogate cladding material. Based on such experimental data, load-displacement curves were numerically analyzed for selected cladding materials. In the presence of radial hydrides, a sample may suddenly fail by fracture even at small deformations. Noticeable load drops in the RCT occur associated to unstable crack propagation through the radial hydride network. The failure mechanism is quasi-cleavage in the hydrides and micro-void nucleation, growth, and coalescence in the zirconium matrix, with ductile tearing patches connecting neighboring hydrides. The failure process was simulated by cohesive zones controlled by the fracture energy and the cohesive strength. A modeling approach is presented in which the radial hydride morphology is taken into account. Based on the developed fracture mechanics approach with cohesive zone modeling, not only the deformation behavior but also the failure behavior of irradiated as well as unirradiated claddings with radial hydrides under RCT loading conditions can be adequately described.
Die BAM legt als zuständige Behörde die zusätzlichen Prüfanforderungen an die verwendeten Verpackungen/ Großverpackungen nach P 911 und LP 906 fest (Teil A dieser BAM-GGR).
Außerdem kann die BAM gemäß Sondervorschrift 376 davon abweichende alternative Verpackungs- und/oder Beförderungsbedingungen zulassen (Einzelfallfestlegung,Teil B dieser BAM-GGR).
The BAMline at the synchrotron X-ray source BESSY II (Berlin, Germany) is supporting researchers especially in materials science. As a non-destructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, especially tomography 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.
Atomically dispersed metal-nitrogen doped carbons (M-N-C) are
promising catalysts for the activation of small molecules such as O2
and CO2. These single atom catalysts (SAC) operate at the interface
between homogenous and heterogenous catalysts. Currently, many
examples of M-N-C are known with good oxygen reduction reaction
activity but lacking a controlled synthesis of the specific active sites of
the precatalyst. Recently, our group facilitated the synthesis of pure
pyrrolic M-N4 sites using Zn ions as imprinters.[1] These amorphous
materials obtained by active site imprinting method are characterized
at the BAMline (Bessy II) by X-ray absorption spectroscopy (XAS).
In-situ/operando measurements will be crucial in future work for a
better understanding of the dynamic changes of the active site.
Porous carbons with tuneable functionalities and morphologies have extensively been employed as electrode materials in a variety of electrochemical energy conversion and storage systems for instance in fuel cells and electrolysers as active catalysts and catalyst supports, and in secondary batteries as anode materials. Amorphous carbons with well-developed pore structures are of particular interest due to their superior mass-transport characteristics and remarkable charge storage capacities.
Im Vortrag wird der Stand der Weiterentwicklung der ISO 16103 dargestellt, in der Regelungen zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Recycling-Kunststoffen und daraus hergestellter Gefahrgutverpackungen enthalten sind. Darüber hinaus wird auf die Verbindungen zu den UN Model Regulations und zum ADR eingegangen und welche Konsequenzen sich daraus für die Zulassung und die Anerkennung des Qualitätssicherungsprogramms ergeben.
The presentation gives an overview about the current experiences of BAM regarding ageing management of transport packages in Germany.
The concept of the BAM-GGR 023 for ageing management of transport packagings will be described.
The fundamentals of BAM-GGR 023 will be shown, including the following key aspects:
-the organization of an Ageing Management System (AMS),
-the issue of an Ageing Management Plan (AMP),
-the ageing evaluation as a part of the AMP,
-the Ageing Surveillance Program (ASP) as a part of the AMP,
-the Ageing Management Documentation (AMD).
Im Vortrag wird zunächst erläutert, dass auch im Fall der Wasserstoffversorgung die Schadensanalyse, -vermeidung und die wiederkehrende Prüfung von Speichern in engem Zusammenhang stehen.
Der Wasserstofftransport in Deutschland hat bereits deutlich zugenommen und wird in den nächsten Jahren weiter erheblich zunehmen. Dies führt zu einem stärkeren Fokus auf die wirtschaftlichen Aspekte im Transport und der wiederkehrenden Prüfung. Letztere droht, ohne neue technische Ansätze zum Flaschenhals in der Verfügbarkeit vorhandener Transportkapazitäten zu werden.
Das gegenwärtige System der Wasserdruckprüfung bis zum sog. Prüfdruck mit Innen- und Außenbesichtigung etc., die im Normalfall alle 5 Jahre durchzuführen ist, führt zu jeweils etwa 8 Wochen Stillstand. Das Aufwendige dabei sind die Trocknungs- und Spülprozesse, die notwendig sind, um wieder entsprechend reinen Wasserstoff abfüllen zu können. Auf Basis der BAM GGR‘n 021 und 022 lässt sich beim Nachweis entsprechender, probabilistischer Restzuverlässigkeiten diese Frist in Deutschland auf 10 Jahre ausdehnen. Diesen Weg sind in den letzten Jahren viele Betreiber gegangen.
Mit Blick auf die derzeit fast exponentielle Zunahme von Transporteinheiten kann auch diese Verlängerung der Prüffristen das Problem nicht lösen. Auch das Umschwenken von hydraulischer, auf die heute bereits genehmigungsfähige Gasdruckprüfung bis zum Prüfdruck bringt zwar eine Verkürzung der Stillstandzeiten, erfordert aber erhebliches Investment in Schutzmaßnahmen.
Als hinreichend zielführendes Konzept für Transporteinheiten mit vielen Elementen wird im Vortrag eine Mischung aus probabilistischem Ansatz und zerstörungsfreien Prüfungen erläutert und bzgl. Aufwand und Nutzen im Vergleich zu den üblichen Verfahren visualisiert. Voraussetzung für diesen vorgestellten Ansatz sind die Weiterentwicklung und Qualifizierung der Schallemissionsanalyse als Ersatz für die derzeitig zerstörenden Prüfungen und auch eine durchgängig digitale Lebenslaufakte, die eine lückenlose Zuordnung von Baumusterprüfung, Herstellungslos, Betreiber und Betriebsdaten erlaubt.
Für Transporteinheiten mit wenigen, sehr großen Elementen wird dagegen das sog. Online-Monitoring mit fest installierter und permanent messender Technik gesehen.
Für die Anwendung beider Lösungsansätze sind umfangreiche Änderungen im Recht erforderlich.
Das Bundesverkehrsministerium hat seit 2008 in drei Stufen jeweils auf Vorschlag der BAM einen Antrag zur Einführung bzw. Regulierung von Bergungsdruckgefäßen bei den Vereinten Nationen eingebracht. Die Anträge führten jeweils nach der Delegation in eine Arbeitsgruppe unter der Leitung des Vortragenden zu neuen Vorschriften im internationalen Gefahrguttransportrecht.
Zuletzt hat das UN-Subcommittee der Experten für den Transport gefährlicher Güter der Einführung einer Druck-Volumen-Begrenzung für Druckgefäße zugestimmt. Mit dieser Begrenzung wurde die bisherige Volumenbegrenzung für Bergungsdruckgefäße ersetzt, wodurch nun das Spektrum der Bergungsdruckgefäße gestaltet werden kann, das notwendig wäre, um defekte Druckgefäße transportieren zu können.
Das zentrale Kriterium für die Begrenzung des Druck-Volumen-Produktes (pV) fand bereits in den Landverkehrsvorschriften ADR/RID bis zu ihrer Neustrukturierung auch als Konsequenzmaß Verwendung. Damit soll sichergestellt werden, dass sich aus Wasserstofftransporten in Druckgefäßen keine Konsequenz entwickeln kann, die nach den Kriterien für stationäre Anlagen, einer Katastrophe gleichkommen würde.
Hierzu hatte eine Arbeitsgruppe der Vereinten Nationen seit 2020 auf Vorschlag der BAM eine Kette aufeinander aufbauende Kriterien diskutiert, die im Vortrag vorgestellt werden:
Einfluss der Druckwellen auf den menschlichen Körper (ohne Splitterwirkung oder Umsetzung der chemischen Energie) – Zusammenhang von Druckwelle und Fläche – Druckwellenberechnung – Bevölkerungsdichte – Grenzwerte für eine Katastrophe – resultierendes pV-Produkt.
Das Ergebnis wurde mit herausragenden Großunfällen und Katastrophen aus dem Gefahrguttransport und Gefahrstoffbereich verglichen. Außerdem wurden noch die Effekte des Temperatureinflusses auf den maximalen Betriebsdruck diskutiert. Zuletzt wurde bei den UN darauf hingewiesen, dass mit Blick auf die Auswirkungsbetrachtung der Wassersoff das Gas mit den geringsten Konsequenzen bei gegeben Druk-Volumen-Produkt ist, was zu restriktiveren Obergrenzen für z.B. Erdgas führen könnte.
Als letzter Punkt im Vortrag wird erläutert, dass in den kommenden UN-Sitzungen über nachfolgende Änderungen im Recht, wie z.B. der Kennzeichnung des pV-Produktes, diskutiert werden wird. Außerdem muss ein neuer Einstieg für die bei ISO in der Normung befindliche Umschließungen mit einem größeren pV-Produkt gefunden werden, wozu aber Transportland-spezifische Risikoanalysen in Verbindung mit massiven Fahrwegsbeschränkungen zu erwarten sind.