Veröffentlicht am 3.12.2019 von Marvin Garbade
In Vorbereitung auf den endgültigen Aufbau von Akkupack und Gehäuse wurden erste Versuche zum Brandschutz für den unwahrscheinlichen Fall eines Thermal Runaways durchgeführt. Dazu wurden zunächst die GFK-Paneele zwischen den einzelnen Blöcken parallel geschalteter Zellen (vgl. Testmodul) getestet, wobei die Wirkung einer zusätzlichen Brandschutzfarbe untersucht werden sollte. In der zweiten Versuchsreihe wurden die Auswirkungen einer provozierten Zellexplosion einer vollgeladenen Zelle auf benachbarte, parallel geschaltete Zellen in einem PCM-Block untersucht.
Testreihe 1: GFK-Platten
Es wurden drei GFK-Paneele in unterschiedlichen Konfigurationen getestet. Platte 1 hatte keinen Schutz, Platte 2 hatte eine Schicht Brandschutzfarbe und Platte 3 hatte zwei Schichten. Die Platten wurden einzeln in einen Schraubstock eingespannt und die beschichtete Seite wurde mit einem Brenner auf 600-800 °C gebracht. Diese Temperatur entspricht ungefähr der maximalen Temperatur, die bei einem Zellbrand entsteht. Auf der unbeschichteten Seite wurde die Temperatur mit einem Temperatursensor gemessen, der zwischen der Isolierung und dem GFK eingepresst wurde.
Das Harz in Platte 1 fing bereits nach 4 Sekunden Feuer, was zu einer vollständigen Delamination führte. Eine zellschädigende Temperatur von 60°C wurde nach 8 Sekunden auf der der Hitze abgewandten Seite erreicht. Die Temperatur stieg dann weiter schnell an, bis der Test nach 20 Sekunden abgebrochen wurde. Platte 2 hingegen fing erst nach 9 Sekunden Feuer, etwa zur gleichen Zeit, als die gegenüberliegende Seite 60°C erreichte. Der Test wurde nach 12 Sekunden abgebrochen. Platte 3 fing erst nach mehr als 30 Sekunden Feuer. Die gegenüberliegende Seite erreichte nach etwa 12 Sekunden 60°C. Der Test wurde nach 90 Sekunden abgebrochen.
Basierend auf Untersuchungen von Referenz-Abuse-Tests ist zu erwarten, dass die effektive Brenndauer einer 18650 Lithium-Ionen-Zelle maximal 4 Sekunden beträgt. Aufgrund des Wärmestaus und des plötzlichen hohen Drucks kann die Testtemperatur jedoch für 6-7 Sekunden aufrechterhalten werden. Ziel unserer Konstruktion ist es, in dieser Zeit eine dauerhafte Beschädigung der benachbarten Parallelschaltung oder ein Brennen des Harzes zu verhindern. Dies kann nachweislich durch die Beschichtung der GFK-Platten mit einer Schicht Brandschutzlack erreicht werden, da hier die kritische Schädigung erst nach 9 Sekunden eintreten kann.
Testreihe 2: PCM / Batterie-Abuse
Für den thermischen Durchbruchtest wurde ein Block aus fünf parallelen Zellen in Form eines Phasenwechselmaterials, wie es in unserem Testmodul verwendet wird, aufgebaut. Die Zellen wurden mit einem 0,3 mm Kupferblech pro Pol verlötet. Der Zellenhalter besteht aus gelaserten 1-mm-GFK-Platten. Auf der Ober- und Unterseite wurden jeweils vier dieser Platten übereinander geklebt. Die Außenseite des Zellenhalters und die Seitenteile wurden auch auf der Innenseite mit zwei Schichten Brandschutzfarbe versehen. Anschließend wurde das Pack geladen, sodass der Energieinhalt der Zellen maximal ist. Die Zellenspannung betrug 4,15 V. Die Makrozelle wurde in einem nach allen Seiten offenen Halter befestigt.
Bei den ersten beiden Versuchen wurden die Pluspole von zwei Zellen von oben durchbohrt. Die Zelle erzeugte eine große Feuerfontäne von 4 s, gefolgt von einem leichten Nachbrand von 27 s. In ähnlicher Weise erzeugte die zweite ausgelöste Zelle einen 5 s langen Blitz mit einem anschließenden leichten Brand von 46 s. In beiden Fällen wurde das Kupferblech abgetrennt und die Brandschutzfarbe an den Außenwänden hat im Bereich der verbrannten Zellen ausgelöst. Keine benachbarte Zelle war betroffen und es wurden Spannungen von 4,13 V (Test 1) und 4,11 V (Test 2) gemessen.
Der Abstand zwischen den Zellen und dem PCM verhinderte erfolgreich die Brandausbreitung auf die benachbarten Zellen. Da das Kupferblech in beiden Versuchen durchtrennt wurde, wirkte sich der interne Zellkurzschluss nicht lange auf die anderen Zellen aus. Das PCM wurde zum Rand der jeweiligen Zelle hin leicht beschädigt, war aber noch weitgehend intakt.
Ein großer Teil der Wärme wurde durch die große Flamme direkt an die Umgebung abgegeben. Durch das Einstechen der Zelle in den Pluspol konnte nicht festgestellt werden, ob die Flammen aus dem Überdruckventil im Pluspol oder aus dem Bohrloch kamen. Daher sollten die Zellen im folgenden Versuch in ein Gehäuse mit abgedeckten Polen eingebettet und seitlich durchbohrt werden.
Die Makrozelle wurde durch Austausch der zerstörten Zellen und des Kupferblechs wiederaufbereitet. Sowohl das PCM als auch der Zellenhalter wurden wiederverwendet. Ein neuer Rahmen wurde so konstruiert, dass sich eine Holzwand ca. 10 mm oberhalb und unterhalb der Makrozelle befindet. Außerdem wurden zwei Seitenwände und eine Rückwand hinzugefügt, so dass sich die Flammen nur in eine Richtung ausbreiten können, so dass eine stärkere Einwirkung der Flammen auf die Nachbarzellen zu erwarten ist. Die Makrozelle wurde voll aufgeladen und auf 45 °C vorgeheizt, damit die PCM-Phasenwechselkühlung effektiv verhindert wird. Eine Zelle wurde nun seitlich mit einer Schraube durchbohrt. Es entstand sofort eine Stichflamme, die sich für 1-2 s von der Vorderseite der Öffnung des Versuchsaufbaus über 1 m ausbreitete. Die Flammen erloschen nach 8 Sekunden von selbst. Keine andere Zelle war betroffen. Die Brandschutzfarbe an der Außenwand hat im Bereich der zerstörten Zelle wieder ausgelöst. Ein Teil des Kupferblechs am Pluspol wurde etwa einen halben Meter weit katapultiert.
Durch das Bohren in die Seite der Zelle gab es eine kürzere, aber größere Flamme. Außerdem wurde die Flamme durch die Holzplatten nach vorne gerichtet. Diesmal trat die Flamme nicht nur nach oben, sondern auch nach unten aus. Keine andere Zelle wurde beschädigt. Das gleiche PCM zwischen Zelle 3 und 4 hat also zweimal hintereinander erfolgreich ein Übergreifen des Feuers auf die Nachbarzelle verhindert.
In den Holzplatten oberhalb und unterhalb der zerstörten Zelle gab es Einbrandspuren, teilweise bis zu 3 mm tief. Daher sollte beim nächsten Test anstelle der Holzplatte eine 1 mm dicke GFK-Platte mit Brandschutzlack verwendet werden, um zu sehen, wie stark diese beschädigt wird.
Diesmal war der Schaden an der Makrozelle größer. Die Seitenwände und das PCM waren in der Nähe der zerstörten Zelle teilweise verbrannt. Auch der Schrumpfschlauch von Zelle 2 wurde zum Pol hin leicht beschädigt. Es wurde jedoch keine andere Zelle entzündet. Aufgrund des vermutlich längeren Schwelbrandes der GFK-Platten gibt es nun die Überlegung, ein feuerhemmendes Harzsystem zu verwenden.
Das vollständig abgelöste und abgelötete Kupferblech zeigt, dass es sinnvoll sein könnte, den Test mit geschweißtem Kupferblech zu wiederholen. Es ist auch möglich, das Kupferblech mit einem hitzebeständigen Kleber auf der GFK-Platte zu fixieren, um zu verhindern, dass es sich bei einem Brand löst und einen möglichen Kurzschluss in der Batterie verursacht.
Auf der der Makrozelle zugewandten Seite der oberen GFK-Platte der Einhausung zeigte die Brandschutzfarbe Brandspuren, war aber kaum beschädigt und hielt den Flammen gut stand. An den schmalen Kanten der Schaltschrankplatten sind Flammen ausgetreten. Es wird empfohlen, das Gehäuse in Zukunft besser abzudichten.
Fazit
PCM – Nach den Versuchen wurde die Makrozelle demontiert und das Innenleben untersucht. Das PCM im Inneren der Makrozelle ist im Bereich der gezündeten Zellen teilweise stark beschädigt. An den unbeschädigten Zellen war es jedoch noch nahezu intakt. Das PCM war teilweise an der Oberfläche verbrannt und in einem Fall teilweise bis zur GFK-Platte durchgedrungen. Die Matrix des PCM schmolz und wurde durch die Hitze verformt. Unsere Befürchtung, dass das Paraffin in der PCM-Masse den Brand beschleunigen könnte, hat sich nicht bestätigt. Stattdessen scheint das PCM die benachbarten Zellen thermisch von den brennenden Zellen zu isolieren und einen Teil der Energie zu absorbieren. Mit weiteren Versuchen ohne das PCM könnte dieser Verdacht in Zukunft weiter untersucht werden.
GFK-Platten – Beim letzten Versuch haben die seitlichen GFK-Platten angefangen zu schwelen. Unter Umständen kann es daher sinnvoll sein, in Zukunft ein selbstverlöschendes Harzsystem zu testen. GFK-Platten von 1 mm Dicke, die mit Brandschutzlack beschichtet sind, scheinen bisher als Batteriegehäuse gut zu funktionieren. Zu einem späteren Zeitpunkt soll jedoch ein umfangreicherer Test mit einem Teilmodell des endgültigen Gehäusedesigns durchgeführt werden.
Kupferblech – Da sich das Kupferblech bei den Tests durch die Hitze meist gelöst hat, sollten zukünftige Tests mit verschweißten Kontakten durchgeführt werden