In Berichten über Unfälle mit Lithiumbatterien ist „Thermal Runaway“ das häufigste Stichwort. Es handelt sich nicht um ein sofortiges Ereignis, sondern um einen Kettenprozess, der sich schrittweise weiterentwickelt. Das Verständnis dieser Kette ist die Voraussetzung für den Sicherheitsschutz.

1. Die vier Phasen des thermischen Durchgehens

Die erste Stufe: Der Auslöser erscheint.Zu den häufigsten Ursachen gehören interner Kurzschluss (metallische Fremdkörper, Separatordefekte, Dendriten), externer Kurzschluss, Überladung und Tiefentladung, mechanische Beschädigung (Extrusion, Nadelstich) und eine Umgebung mit hohen Temperaturen. Zu diesem Zeitpunkt steigt die Batterietemperatur langsam an.

Die zweite Stufe: SEI-Zersetzung und Nebenreaktionen.Wenn die Temperatur auf 90–120 °C ansteigt, beginnt sich der SEI-Film zu zersetzen und die negative Elektrode und der Elektrolyt reagieren direkt und erzeugen Wärme; Dann schrumpft und schmilzt der Separator (PE hat etwa 130 °C, PP hat etwa 160 °C) und es entsteht ein großflächiger Kurzschluss.

Die dritte Stufe: Sprühventil und heftige Wärmeabgabe.Wenn die Temperatur weiter ansteigt, zersetzt sich die positive Elektrode unter Freisetzung von Sauerstoff, der Elektrolyt erfährt eine heftige Oxidation und Zersetzung, der Innendruck steigt plötzlich an und das Sicherheitsventil öffnet sich, um brennbares Gas und Elektrolytdampf auszustoßen, wobei die Temperatur 600–800 °C erreicht.

Stufe 4: Verbreitung.Wenn das thermische Durchgehen einer einzelnen Zelle nicht kontrolliert wird, werden benachbarte Zellen durch Wärmeleitung und Strahlung entzündet, wodurch eine Kettenreaktion entsteht, die als „thermische Ausbreitung“ bekannt ist.

Zwei- und vierschichtiges Schutzdesign

  • Zellschicht: Verwendung von keramikbeschichteten Separatoren, Kathodenmaterialien mit besserer thermischer Stabilität und Konfiguration von Sicherheitsventilen (CID), PTC und anderen passiven Komponenten; Kontrollieren Sie die Produktionsreinheit streng, um metallische Fremdkörper zu reduzieren.
  • BMS-Schicht: Hochpräzise Spannungs- und Temperaturmessung, mehrstufige Überladung, Tiefentladung, Überstrom- und Übertemperaturschutz, abnormale Warnung und aktive Abschaltung; Das Energiespeichersystem muss außerdem über eine Isolationserkennung und Fehleraufzeichnung verfügen.
  • Strukturschicht: Zwischen den Zellen befindet sich eine Wärmedämmschicht (Aerogel, Glimmerplatte), das Modul ist mit Druckentlastungskanälen und gerichteter Entlüftung ausgestattet und die Hülle verfügt über eine Flammschutzklasse (z. B. V-0).
  • Systemschicht: Flüssigkeitsgekühltes oder luftgekühltes Wärmemanagement sorgt für eine gleichmäßige Temperatur, ist mit Erkennung brennbarer Gase, Rauchmelder und automatischem Brandschutz (Perfluorhexanon, Wassernebel) ausgestattet und blockiert die Ausbreitung durch Kabinenisolierung.

3. Normen und Prüfanforderungen

Zu den gängigen Prüfungen gehören GB 38031 (Sicherheitsanforderungen für Energiebatterien von Elektrofahrzeugen, die innerhalb von 5 Minuten nach dem thermischen Durchgehen kein Feuer oder keine Explosion erfordern), UL 9540A (Bewertung der Ausbreitung des thermischen Durchgehens von Energiespeichersystemen), IEC 62619 (Batteriesicherheit für Industrieanlagen) usw. Für Exportprodukte müssen entsprechende Standards entsprechend dem Zielmarkt ausgewählt werden.

4. Anregungen für die Ingenieurpraxis

Sicherheit ist eine Systemtechnik, und ein einzelner Verstärkungspunkt reicht nicht aus, um Risiken zu beseitigen. Der wirklich wirksame Ansatz besteht darin, in der Entwurfsphase eine FMEA-Fehleranalyse durchzuführen, in der Testproduktionsphase Akupunktur-, Extrusions-, Überladungs- und andere Missbrauchstests durchzuführen, in der Massenproduktionsphase die Konsistenz eingehender Materialien und Prozesse streng zu kontrollieren und sich während der Nutzungsphase auf BMS- sowie Betriebs- und Wartungssysteme für die kontinuierliche Überwachung zu verlassen. Nur durch die Überlagerung von vier Schutzschichten kann die Wahrscheinlichkeit auf ein akzeptables Maß reduziert werden.

5. Fazit

Bei Lithiumbatterien ist Sicherheit keine Funktion, sondern das Endergebnis über den gesamten Lebenszyklus hinweg.