2.9 Thermal Runaway

Als „Thermal Runaway“, also thermisches Durchgehen, bezeichnet man eine auf positiver thermischer Rückkopplung basierende Eskalation der Zellentemperatur. Dies gilt generell auch für verschlossene Bleibatteriesysteme, welche ebenfalls einen Thermal Runaway aufweisen können, tritt aber bei Lithium-Batteriesystemen unter Umständen mit dem Einhergehen von Explosion und Feuer auf.

Glücklicherweise tritt der fatale Thermal Runaway bei Lithium-Ionen-Batterien seltener auf, als dies mancher Pressebericht suggeriert. So geistern im Internet immer noch Bilder eines brennenden Sony-Notebooks aus dem Jahre 2009 herum. Der besseren Abgrenzung der Initialisierungsmöglichkeiten für den Thermal Runaway spalte ich das Thema nachfolgend in zwei getrennte Kapitel für mangelbehafte und nicht mangelbehaftete Zellen auf.

Im Grundsatz können alle Lithium-Ionen-Batteriesysteme in einem Thermal Runway enden. Die modernen Zellentechnologien sind heute aber mittlerweile derart ausgereift, dass bei manchen Tests , bei denen man einen Thermal Runway gezielt herbeiführen will, eben genau dies nicht gelingt, was im Prinzip aufzeigt, dass die meisten thermischen Durchgänge heute wohl auf einer schlechten Zelle (Herstellungsfehler) beruhen. Ist ein eine Erwärmung erzeugender Vorgang in einer Zelle so weit fortgeschritten, dass die Temperaturzunahme exponentiell wird, ist dieser Vorgang nicht mehr zu stoppen. Bei den meisten Zellen öffnet dann ein Sicherheitsventil, und Gas wird abgeblasen. Diese Gase sind giftig und man sollte in einem solchen Fall Atem- und auch Hautkontakt unbedingt vermeiden. Nur in seltenen Fällen kommt es zu Explosionen und zum Ausbruch von Feuer.

Das nachfolgende Diagramm zeigt für verschiedene Kathodenmaterialtechnologien das thermische Verhalten der Zellen. Man sieht deutlich, dass es durchaus Unterschiede hinsichtlich der Temperatur bei welcher die Zelle droht durchzugehen, wie auch dem Verlauf und der Höhe des Temperaturmaximums gibt.

Thermal Runaway (qualitativ)

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X. Feng et al., Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review, Energy Storage Materials 10, 2018