Wir alle haben die Videoclips von Laptops gesehen, die aus unerklärlichen Gründen in Flammen aufgehen oder von dem Chevy Volt – einem Hybridfahrzeug – gelesen, der eine Woche nach Abschluss eines Crashtests lodernd zu brennen begann: Diese sogenannte thermische Instabilität (auch thermisches Durchgehen) tritt in Lithium-Ionen-Batterien auf und ist nicht nur spektakulär, sondern auch äußerst gefährlich.

Thermische Instabilität wird in der Regel durch eine übermäßige Strombelastung oder hohe Umgebungstemperatur verursacht und beinhaltet mehrere Phasen:

• Ab einer Temperatur von 80º C beginnt die Festelektrolyt-Schicht (Solid-Electrolyte Interphase (SEI)) sich aufzulösen; danach reagiert der Elektrolyt mit der Anode. Dies ist eine exotherme (Wärmegebende) Reaktion, was zu einem raschen Anstieg der Temperatur führt.
• Zweitens bewirkt die erhöhte Temperatur, dass sich die organischen Lösungsmittel zersetzen, wodurch Gase freigesetzt werden – normalerweise beginnt dieser Prozess bei etwa 110º C. In dieser Phase baut sich innerhalb der Zellen Druck auf und die Temperatur überschreitet den Flammpunkt. Jedoch entzündet sich das Gas mangels fehlendem Sauerstoff nicht.
• Schließlich schmilzt bei 135º C die Trennschicht, wodurch ein Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verursacht wird; bei dem resultierenden Abbau der Metalloxid-Kathode bei 200º C wird Sauerstoff frei, der wiederum die Verbrennung von Elektrolyt und Wasserstoff ermöglicht. Auch diese Reaktion ist exotherm und bewirkt einen weiteren raschen Anstieg von Temperatur und Druck.

Flüssigkeitsgekühlte Batterien; die Antwort auf thermische Instabilität

Um die Temperatur der hochenergetischen Lithium-Ionen-Zellen in Elektrofahrzeug-Akkus zu regulieren, setzen Hersteller anspruchsvolle thermische Batteriemanagementsysteme (BMS) ein, die oftmals mit Flüssigkeit gekühlt Kühlkörper aufweisen, um sowohl hohe und niedrige Temperaturen zu kontrollieren.

Aber um das Design eines effizienten, mit Flüssigkeit gekühlten Kühlkörpers für einen Elektro- oder Hybridfahrzeug-Akku implementieren zu können, ist es wichtig, die Profile der Batterietemperatur und ihres Wärmeflusses durch Tests und Messungen an mehreren Orten zu bestimmen. Dies geschieht unter Verwendung von Temperatursensoren (Wärmefühlern) während der Lade- und Entladezyklen der Batterie.

Sobald diese Daten gesammelt und analysiert wurden, werden Trendlinien extrapoliert, um diese an die Messdaten des Wärmeflusses anzupassen. Im Anschluss daran werden Gleichungen für das Wärmeflussprofil während der Lade- und Entladephasen aufgestellt.

Sobald dieses Profil aufgezeichnet wurde, wird mittels einer Modellierungssoftware wie z. B. PTC CreoParametric 3D ein Modell mit einem halben Kühlkörper erstellt. Auf diese Weise können die angedachten Flüssigkeitskanäle ausgelegt werden, um die gewünschten Kühlkanalquerschnitte entlang der kritischen Pfade zu erstellen.

Eine effektive Wärmeübertragung erfordert jedoch eine Feinabstimmung zwischen Geschwindigkeit, Druck und Temperatur der durch die Kühlkörperkanäle fließenden Flüssigkeit. Daher ist es entscheidend, den Ein- und Ausgangsdruck zu optimieren, um die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlkörper zu steuern.

Genaue Druckmessungen optimieren die Wärmeübertragung 

Da eine Druckdifferenz von ca. 0,008273709 bar als optimal angesehen wird, müssen die Drucksensoren zur Messung des Flüssigkeitsdrucks über den Kühlkörper unglaublich präzise und über einen großen Temperaturbereich hinweg stabil sein.

Weltweit produziert nur eine Handvoll von Drucksensorenherstellern Instrumente, die diese Aufgabe zuverlässig ausführen können. Entwicklungsteams auf der ganzen Welt wählen diejenigen Hersteller aus, deren Drucksensoren präzise und konstante Leistung liefern.

Die Testergebnisse, die diese Qualitätssensoren aufzeichnen, dienen zur grafischen Darstellung des maximalen und minimalen Drucks bei verschiedenen Durchflussvolumenraten, wodurch unterschiedliche Kanaldesigns miteinander verglichen werden können.

Nach der Bernoulli-Gleichung, nach der sich die Geschwindigkeit im Quadrat umgekehrt zum Druck verhält, steigt der Druckverlust quadratisch mit der steigen Durchflussvolumenrate an.

Aus diesem Grund wählen Ingenieure breitere Kanäle, welche einen (erhöhten) Durchfluss und mehr Durchgänge durch die Batterie erlauben, wodurch die Wärmeübertragung aus den Zellen auf den Kühlkörper optimiert wird.

Zusammengefasst lässt sich festhalten: Dank der präzisen Druckmessungen während der Entwicklungsphase wurde durch die Zwangskonvektion mehr Wärme abgeleitet, was die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Zyklenfestigkeit von Lithium-Ionen-Batterien erheblich verbessert hat.