Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien bei Nutzung und Recycling
von Jan DiekmannDie voranschreitende Entwicklung von Lithium-Ionen-Zellen hat zu einem breiten Einsatz dieser Technologie geführt. So sorgen insbesondere die Erhöhung ihrer Energiedichte zu einem Ausbau der Elektromobilität und fortschreitender Entwicklung im elektrischen Fliegen. Eine Grundvoraussetzung für alle Anwendungen bleibt dabei aber der sichere Einsatz dieser
Technologie. Um diese Voraussetzungen zu erfüllen müssen in jeder Lebenszyklusphase die entsprechenden Maßnahmen erkannt und ergriffen werden.
Die vorliegende Dissertation soll einen Beitrag zum sicheren und effizientem Einsatz der Lithium-Ionen-Technologie leisten. Kenntnisse über das Gefährdungspotential, dessen Einflussfaktoren, sowie sichere und effiziente Prozessführung, ermöglichen einen sicheren Umgang mit Lithium-Ionen-Zellen entlang der Lebenszyklusphasen Produktion, Nutzung und Recycling. Diese Phasen und die entsprechenden Verfahren stehen im Fokus der Untersuchungen in dieser Arbeit.
Bereits während der Zellentwicklung und deren Produktion werden durch die Materialwahl, deren Komposition und durch hochqualitative Fertigungsprozesse die Grundlagen für die Vermeidung von Zellfehlern gelegt. Dabei spielt der spontane interne Kurzschluss eine besondere Rolle, da dieser während der Nutzungsphase nur begrenzt vermieden werden kann. Um die Auswirkungen eines solchen Zellfehlers analysieren zu können, wurde ein Prüfstand und eine Testmethode mit hoher Reproduzierbarkeit durch spannungsgesteuerte Nagelpenetration entwickelt. Durch deren Anwendung konnten Ursache-Wirkungs-Ketten während des Thermal Runaway von Nageleindringtiefe bis zur Freisetzung spezifischer Feststoff- und Gaskomponenten ermittelt werden. Die Variation der Zellverspannung ermöglichte so die Konzeptionierung eines passiven Systems zur Erhöhung der Sicherheit von Batteriesystemen im Fehlerfall. Am Ende des Lebens einer Lithium-Ionen-Zelle
bietet der in dieser Arbeit ausgelegte klimafreundliche Recyclingprozess eine hohe stoffliche Recyclingquote (> 80%). Durch den Verzicht auf thermische Deaktivierung muss das gesamte Gefährdungspotential berücksichtigt werden. Durch die Untersuchung der Gas- und Feststoffemissionen während des Betriebes der Prozessschritte und im Fehlerfall konnte ein umfassendes Konzept entwickelt werden, dass ein sicheres Recycling und eine effiziente Rückgewinnung der Rohstoffe für den erneuten Einsatz in Lithium-Ionen-Zellen ermöglicht.
Technologie. Um diese Voraussetzungen zu erfüllen müssen in jeder Lebenszyklusphase die entsprechenden Maßnahmen erkannt und ergriffen werden.
Die vorliegende Dissertation soll einen Beitrag zum sicheren und effizientem Einsatz der Lithium-Ionen-Technologie leisten. Kenntnisse über das Gefährdungspotential, dessen Einflussfaktoren, sowie sichere und effiziente Prozessführung, ermöglichen einen sicheren Umgang mit Lithium-Ionen-Zellen entlang der Lebenszyklusphasen Produktion, Nutzung und Recycling. Diese Phasen und die entsprechenden Verfahren stehen im Fokus der Untersuchungen in dieser Arbeit.
Bereits während der Zellentwicklung und deren Produktion werden durch die Materialwahl, deren Komposition und durch hochqualitative Fertigungsprozesse die Grundlagen für die Vermeidung von Zellfehlern gelegt. Dabei spielt der spontane interne Kurzschluss eine besondere Rolle, da dieser während der Nutzungsphase nur begrenzt vermieden werden kann. Um die Auswirkungen eines solchen Zellfehlers analysieren zu können, wurde ein Prüfstand und eine Testmethode mit hoher Reproduzierbarkeit durch spannungsgesteuerte Nagelpenetration entwickelt. Durch deren Anwendung konnten Ursache-Wirkungs-Ketten während des Thermal Runaway von Nageleindringtiefe bis zur Freisetzung spezifischer Feststoff- und Gaskomponenten ermittelt werden. Die Variation der Zellverspannung ermöglichte so die Konzeptionierung eines passiven Systems zur Erhöhung der Sicherheit von Batteriesystemen im Fehlerfall. Am Ende des Lebens einer Lithium-Ionen-Zelle
bietet der in dieser Arbeit ausgelegte klimafreundliche Recyclingprozess eine hohe stoffliche Recyclingquote (> 80%). Durch den Verzicht auf thermische Deaktivierung muss das gesamte Gefährdungspotential berücksichtigt werden. Durch die Untersuchung der Gas- und Feststoffemissionen während des Betriebes der Prozessschritte und im Fehlerfall konnte ein umfassendes Konzept entwickelt werden, dass ein sicheres Recycling und eine effiziente Rückgewinnung der Rohstoffe für den erneuten Einsatz in Lithium-Ionen-Zellen ermöglicht.