Experimentelle Nachbildung von internen Kurzschlüssen in Lithium-Ionen-Pouchzellen mittels präziser Nadelpenetration

Die Lithium-Ionen-Zelle ist ein weit verbreiteter elektrischer Energiespeicher und Bestandteil vielfältiger technischer Produkte. Die bekannte Sicherheitsproblematik dieser Speichertechnologie stellt häufig größere Herausforderungen für den praktischen Einsatz dar. Das Verlassen der Betriebsgrenzen, die Einwirkung mechanischer Kräfte oder interne Produktionsfehler können aufgrund der hohen Energiedichte und der Verwendung reaktionsfreudiger Materialien zu einem „Thermischen Durchgehen“ der Zelle führen. Der interne Kurzschluss, also der zellinterne elektrisch leitende Kontakt beider Elektroden stellt hierbei einen besonders relevanten und gefährlichen Fehlerfall dar. Genau dieser Fehlerfall ist derzeit jedoch noch nicht vollständig verstanden. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die fehlende Möglichkeit einen realitätsnahen internen Kurzschluss zuverlässig nachbilden zu können. Die derzeit häufig angewandte Nagelpenetration, als Bestandteil vieler Normen, bildet viele Fehlerursachen des internen Kurzschlusses, insbesondere die Dendritenbildung und die Partikelkontamination, aufgrund geringer Lokalität nicht realistisch nach. Sie liefert somit nur unzureichende Erkenntnisse zur Charakteristik eines solchen internen Kurzschlusses. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur realitätsnahen Nachbildung von internen Kurzschlüssen in Pouchzellen entwickelt und an mehr als 30 Zellen erfolgreich angewendet. Hierfür wird als Nadelpenetration eine dünne Nadel (Kanüle) präzise und mit einer geringen Vorschubgeschwindigkeit (1 µm/s) von außen in die Zelle eingestochen. Die Minimierung von äußeren Störgrößen (z.B. eine konstante Zelltemperatur) ermöglicht es, die auftretenden Streuungen auf den internen Kurzschluss selbst zurückzuführen und so eine fundierte Fehlerbewertung abzuleiten. Aus der umfangreichen Zustandscharakterisierung leitet sich bisher fehlendes Wissen zur Entstehung, Entwicklung und möglichen Detektion des internen Kurzschlusses ab, welche für die praktische Anwendung hohe Relevanz besitzen und dabei helfen, das ausgehende Risiko eines internen Kurzschlusses zu minimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass es in vielen Fällen zu einem dynamischen Prozess der Fehlerentwicklung kommt, welcher sich insbesondere durch wiederholte kurzzeitige Spannungsabsenkung mit darauffolgender schneller Spannungserholung (Relaxation) charakterisiert. Dieser dynamische Zustand kann zum spontanen „Thermischen Durchgehen“ der Zelle führen. Oftmals bildet sich jedoch nach einigen Minuten ein konstanter hochohmiger interner Kurzschluss aus, welcher die Zelle zunächst unauffällig aussehen lässt. Besonders kritisch ist hierbei, dass für den weiteren Betrieb eine Gefährdung durch eine irreversible Strukturbeschädigung gegeben ist, die sich allerdings durch keine zerstörungsfreie elektrochemische Messmethode zuverlässig nachweisen lässt. Hieraus leitet sich als neue Erkenntnis die Notwendigkeit ab, den internen Kurzschluss sofort bei der ersten Entstehung durch eine genaue, hinreichend schnelle Spannungserfassung frühzeitig zu erkennen und daraufhin Maßnahmen zur Gefährdungsminimierung einzuleiten.The lithium-ion cell is a widely used electrical energy storage and a key component of many technical products. However, the well-known safety issues associated with this storage technology often pose major challenges for practical use. Running the cell out of operating limits, the effect of mechanical forces or internal production defects can lead to a "thermal runaway" of the cell due to the high energy density in combination with the use of reactive materials. The internal short circuit, which means the electrically conductive contact between the two electrodes inside the cell, is a particularly relevant and dangerous failure mode. Exactly this type of failure is currently not yet fully understood. One of the main reasons for this is the missing possibility to reliably reproduce a close to reality internal short circuit. Nail penetration, which is currently often used in many standards, does not realistically replicate many of the causes of internal short-circuits, particularly dendrite formation and particle contamination, due to its limited locality. Therefore, this method only provides insufficient information on the characteristics of such an internal short circuit. In this work, a new method for the realistic replication of internal short circuits in pouch cells is developed and successfully applied to more than 30 cells. For this method, a thin needle (cannula) is precisely penetrated into the cell from the outside with a low speed (1 µm/s). The minimisation of external disturbance (e.g. a constant cell temperature) makes it possible to attribute the occurring scattering to the internal short circuit itself and thus derive a well-founded failure evaluation. Comprehensive state characterisation has provided the missing knowledge on the triggering, development and possible detection of the internal short circuit, which is highly relevant for practical applications in order to minimise the outgoing risk of an internal short circuit. The results show that in many cases a dynamic process of fault development occurs, which is characterised in particular by repeated short-term voltage drops followed by rapid voltage recovery (relaxation). This dynamic state can lead to spontaneous "thermal runaway" of the cell. However, a constant high-resistance internal short circuit often develops after a few minutes, which initially makes the cell look inconspicuous. In this case, it is particularly critical that further operation is risky due to irreversible structural damage, which cannot be reliably detected by any non-destructive electrochemical measurement method. The new insight derived from this is the need to detect the internal short circuit immediately when it first occurs by precise, sufficiently fast voltage detection and then initiate actions to minimise the danger