Sicherheitsprüfung von Lithium-Ionen-Akkus: Quetsch-, Schlag-, Kurzschluss- und weitere Tests

Lithium-Ionen-Zellen speichern eine große Menge Energie auf kleinem Raum. Das macht sie nützlich, aber es bedeutet auch, dass ein Defekt, eine missbräuchliche Bedingung oder eine fehlende Schutzmaßnahme schnell Energie freisetzen kann. Hochkarätige Batteriezwischenfälle haben Feuer und Explosion zu den sichtbarsten Folgen gemacht. Im Labor beginnt eine sinnvolle Sicherheitsprüfung jedoch lange bevor eines davon eintritt.

Quetsch-, Aufprall-, externer Kurzschluss-, Überladungs-, Penetrations- und Temperaturtests wurden entwickelt, um unterschiedliche Fragen zu beantworten. Es gibt kein einziges universelles Verfahren, und eine Zelle, die einen Test besteht, ist nicht automatisch für jedes Produkt oder jede Anwendung „sicher“.

Wichtig: Destruktive Batterietests können Feuer, Projektile, korrosive Elektrolyte sowie giftige oder brennbare Gase erzeugen. Sie sollten nur von qualifiziertem Personal in speziell dafür gebauten Einrichtungen mit Fernbedienung, Containment, Belüftung, Überwachung und Notfallverfahren durchgeführt werden.

Wählen Sie den Standard, bevor Sie die Testparameter wählen

Werte wie eine Quetschkraft von 13 kN, eine Aufprallmasse von 9,1 kg, ein bestimmter Kurzschlusswiderstand oder eine festgelegte Beobachtungszeit stammen aus definierten Prüfverfahren. Sie sollten nicht ohne Bestätigung des Standards, der Ausgabe, des Probentyps, der Zellgeometrie, des Ladezustands und des vorgesehenen Marktes in ein Laborverfahren kopiert werden.

Einige häufige Ausgangspunkte sind:

• UN 38.3 für Lithiumzellen und -batterien, die für den Transport angeboten werden. Sie umfasst Höhensimulation, thermische Prüfung, Vibration, Schock, externen Kurzschluss, Aufprall oder Quetschung, Überladung und erzwungene Entladung, je nach Anwendbarkeit.
• IEC 62133-2 für tragbare, gekapselte Sekundär-Lithiumzellen und -batterien unter bestimmungsgemäßer Verwendung und vernünftigerweise vorhersehbarem Missbrauch.
• IEC 62619 für Sekundär-Lithiumzellen und -batterien, die in industriellen Anwendungen, einschließlich vieler stationärer Systeme, verwendet werden.
• IEC 62660-2 für Zuverlässigkeit und Missbrauchsverhalten von Lithium-Ionen-Zellen und Zellblöcken, die für den Antrieb von Elektrofahrzeugen verwendet werden.
• SAE J2464 als Leitfaden für Missbrauchstests von wiederaufladbaren Energiespeichersystemen für Elektro- und Hybridfahrzeuge. SAE weist darauf hin, dass J2464 selbst keine Bestehens-/Fehlerkriterien festlegt.

Dies ist keine vollständige Zertifizierungskarte. UL-Standards, nationale Vorschriften, Fahrzeugvorschriften, Kundenspezifikationen und Systemstandards können ebenfalls gelten. Bestätigen Sie die aktuelle Ausgabe mit einem akkreditierten Labor oder einer Zertifizierungsstelle, bevor Sie einen Testplan festlegen.

Was thermisches Durchgehen tatsächlich bedeutet

Thermisches Durchgehen ist ein sich selbst beschleunigender Temperaturanstieg. Im Inneren der Zelle erzeugte Wärme löst exotherme Reaktionen aus; diese Reaktionen erzeugen mehr Wärme, was weitere Reaktionen beschleunigt. Je nach Chemie und Design kann die Sequenz Veränderungen in der Festelektrolyt-Interphase, Reaktionen zwischen Elektroden und Elektrolyt, Separatorschäden, Gasentwicklung, Entlüftung und Verbrennung umfassen.

Das auslösende Ereignis kann elektrisch, thermisch, mechanisch oder intern sein. Überladung, externe Erhitzung, Quetschung, Penetration, ein externer Kurzschluss, Verunreinigungen, ein Folienentgrat, Separatorschäden und Lithiumabscheidung sind verschiedene Wege zu diesem Problem. Unser Leitfaden zu internen Kurzschlüssen von Lithium-Ionen-Batterien erklärt, warum frühe Leckagen und harte Kurzschlüsse nicht als dasselbe Ereignis behandelt werden sollten.

Sechs Sicherheitstest-Familien und was sie enthüllen

1. Quetschen und Aufprall

Mechanische Missbrauchstests untersuchen, wie eine Zelle reagiert, wenn ihr Gehäuse und die inneren Schichten verformt werden. Der Test kann Separatorversagen, Elektrodenkontakt, Stromkollektorschäden, Leckagen, Entlüftung oder thermisches Durchgehen aufzeigen.

Der bekannte Wert von 13 kN ist mit bestimmten Quetschverfahren verbunden, einschließlich der zellularen UN T.6-Methode für spezifische Geometrien. Er ist keine universelle Kraft für jede Zelle, jedes Modul oder jedes Paket. Bei UN 38.3 hängt die Anwendbarkeit von Aufprall und Quetschung von der Zellgeometrie und dem Durchmesser ab. Ausrichtung, Platten- oder Stangengeometrie, Stoppbedingungen, Probenhistorie und Beobachtungszeit sind Teil der Methode.

Ein guter Bericht erfasst Kraft und Verformung zusammen mit Spannung, Oberflächentemperatur, Vorrichtungs-Ausrichtung und synchronisiertem Video. „Kein Feuer“ allein erklärt nicht, wann der interne elektrische Pfad entstand oder wie die Struktur versagte.

2. Überladung

Ein Überladungstest bewertet die Reaktion auf eine Ladung über das vorgesehene Steuerfenster hinaus. Mögliche Ergebnisse sind Lithiumabscheidung, Elektrolytoxidation, Gasentwicklung, Druckanstieg, Aktivierung von Schutzvorrichtungen, Entlüftung und thermisches Durchgehen.

Es gibt keine allgemein gültige Anweisung, jede Zelle mit 3C bis 10 V zu laden. Ladestrom, Spannungsgrenze, Dauer, Konditionierung, Probenniveau und Annahmekriterien variieren je nach Standard und Batteriedesign. Der Testaufbau muss auch die Energieversorgung, Kabel- und Kontaktwiderstand, Zellenschutzvorrichtungen und Fernisolierung berücksichtigen.

3. Externer Kurzschluss

Ein externer Kurzschluss leitet Strom durch einen niederohmigen Pfad außerhalb der Zelle oder Batterie. Die Reaktion wird durch Ladezustand, Innenwiderstand, Temperatur, Verbindungen, Schutzvorrichtungen sowie den Widerstand und die Induktivität des Testkreises bestimmt.

Ein konkretes Beispiel ist die aktuelle UN 38.3 T.5 Transportmethode, die die Probe bei einer bestimmten erhöhten Temperatur konditioniert und einen externen Gesamtwiderstand unter 0,1 Ohm anlegt. Ihre detaillierten Temperatur-, Dauer- und Annahmekriterien gehören zu dieser spezifischen Methode. Eine Pauschalregel von 50 Milliohm und eine Grenze von 140 Grad Celsius sollte nicht als universell dargestellt werden.

Erfassen Sie Strom und Spannung mit ausreichender Auflösung, messen Sie die Oberflächentemperatur an definierten Stellen und dokumentieren Sie, ob eine Stromunterbrechungsvorrichtung, Sicherung, ein Schütz oder eine Schutzschaltung ausgelöst hat. Eine fallende Klemmenspannung allein identifiziert den internen Fehler nicht.

4. Nagelpenetration und andere lokalisierte Eindringtests

Die Penetration führt zu hochlokalisierten mechanischen und elektrischen Schäden. Forscher nutzen sie, um das thermische Ansprechverhalten, das Ausbreitungsverhalten oder die Designrobustheit unter einem schweren Eindringen zu vergleichen. Die Ergebnisse können sich je nach Penetrationsposition, -richtung, -geschwindigkeit, Werkzeuggeometrie, Ladezustand der Zelle und thermischen Randbedingungen erheblich ändern.

Die Nagelpenetration ist keine universelle Anforderung in allen wichtigen Zellzertifizierungsstandards. Sie sollte nicht auf „eine 3 mm Nadel verwenden und auf Feuer prüfen“ reduziert werden. Verwenden Sie die vom anwendbaren Standard oder einem sorgfältig begründeten Entwicklungsprotokoll geforderte Methode und geben Sie klar an, was der Test darstellt und was nicht.

5. Temperaturwechsel und thermische Exposition

Der Temperaturwechsel untersucht die Auswirkung wiederholter Heiß- und Kälteeinwirkung auf Dichtungen, Grenzflächen, Isolation, Abmessungen und elektrisches Verhalten. Dies ist besonders relevant für Transport, Lagerung und Produkte, die zwischen Umgebungen bewegt werden.

Temperaturbereich, Verweilzeit, Übergangszeit, Anzahl der Zyklen, Ladezustand und Nachbeobachtung variieren je nach Methode. Nachprüfungen können Leckagen, Massenänderung, Leerlaufspannung, Isolationswiderstand, Verformung oder Funktionsleistung umfassen, nicht nur Feuer und Explosion.

6. Interner Kurzschluss und Ausbreitungstests

Einige Programme verwenden kontrollierte interne Kurzschlussinitiatoren, erzwungene interne Kurzschlussmethoden, Heizungen oder andere Auslöser, um das Zellverhalten und die Zell-zu-Zell-Ausbreitung zu untersuchen. Diese Methoden beantworten Fragen, die externe Kurzschluss-, Quetsch- oder Nageltests möglicherweise nicht zuverlässig reproduzieren. Der Auslöser sollte so gewählt werden, dass er dem zu untersuchenden Fehlerszenario entspricht.

Was sollte während eines Sicherheitstests gemessen werden?

Ein beweiskräftiger Testbericht enthält normalerweise mehr als nur das endgültige visuelle Ergebnis:

• Probenidentität, Konstruktion, Masse, Abmessungen, Ladezustand, Alter und Konditionierungsverlauf;
• der exakte Standard, die Ausgabe, Abweichungen, Vorrichtung, Ausrichtung und Kalibrierung der Testausrüstung;
• Spannung, Strom, Oberflächentemperatur, Kraft, Verschiebung, Druck oder Gasdaten, je nach Relevanz;
• zeitlich synchronisiertes sichtbares und thermisches Video;
• Entlüftung, Leckage, Bruch, Feuer, Auswurfmaterial, Aktivierung von Schutzvorrichtungen und Beobachtungszeit;
• elektrischer Zustand nach dem Test und ein kontrollierter Zerlegungs- oder Bildgebungsplan, wo angemessen.

Die „Bestanden/Nicht bestanden“-Formulierung muss aus der zutreffenden Anforderung kopiert werden und darf nicht nach dem Test improvisiert werden. Einige Methoden begrenzen die Temperatur und verbieten Feuer, Bruch oder Demontage innerhalb eines definierten Beobachtungsfensters. Andere klassifizieren die Schwere der Reaktion anstatt einen Bestanden/Nicht bestanden-Schwellenwert festzulegen.

Sicherheit ist in Schichten aufgebaut

Tests machen eine Batterie nicht sicherer; sie zeigen, wie ein Design reagiert und wo Kontrollen schwach sein könnten. Verbesserungen erstrecken sich normalerweise über mehrere Schichten.

Elektrolyt- und Grenzflächendesign: Zusätze, Salz- und Lösungsmittelauswahl, Formierungsbedingungen und Grenzflächenkontrolle können die Stabilität verbessern, aber jede Änderung muss auch auf Kompatibilität, Alterung, Gasentwicklung und Tieftemperaturverhalten überprüft werden.

Elektroden- und Separator-Design: Kathodenbeschichtungen, stabile Aktivmaterialien, kontrollierte Anodenbeladung, Separatorauswahl, Keramikbeschichtungen und Abschaltverhalten können das Risiko reduzieren. Sauberes Schneiden, präzise Ausrichtung und Kontrolle von Graten und Partikeln bleiben wesentlich. Die praktischen Risiken werden in unserem Artikel über häufige Fehler bei der Münzzellenmontage erörtert.

Zellenhardware: Entlüftungsöffnungen, Stromunterbrechungsvorrichtungen, PTC-Elemente (Positive Temperature Coefficient), Sicherungen, Isolation und robuste Dichtungen können Druck, Strom oder Wärme unter anormalen Bedingungen begrenzen. Ihr Verhalten muss als Teil des vollständigen Designs überprüft werden.

Batteriemanagement und Systemschutz: Spannungs-, Strom- und Temperaturüberwachung; Lade- und Entladegrenzen; Schütze; Sicherungen; Wärmemanagement; Isolationsüberwachung; und Ausbreitungsbarrieren arbeiten zusammen. Ein BMS kann einen internen Defekt nicht beheben, daher muss das Systemdesign auch Erkennungsgrenzen und Fehlerbegrenzung berücksichtigen.

Das Ergebnis im Kontext lesen

Eine Batterie kann eine Transportanforderung erfüllen und dennoch zusätzliche Tests für tragbare Elektronik, industrielle Speicherung oder Fahrzeugnutzung benötigen. Sie kann in einem Missbrauchstest Feuer vermeiden, während sie in einem anderen übermäßige Leckage, gefährliche Entlüftung, Isolationsversagen oder einen unannehmbaren Temperaturanstieg zeigt.

Der beste Testplan beginnt mit der Produkt- und Fehleranalyse, identifiziert die anwendbaren Standards und Märkte und definiert dann Proben, Konditionierung, Instrumentierung, Akzeptanzkriterien und Folgemaßnahmen. Das ist langsamer als das Kopieren einer Liste von Testnummern, aber es liefert Beweise, die Ingenieure, Kunden und Zertifizierungsstellen tatsächlich nutzen können.

Normen und weiterführende Literatur

• UNECE: UN-Handbuch der Prüfungen und Kriterien, Revision 8 und Änderung 1
• IEC 62133-2: Tragbare Sekundär-Lithiumzellen und -batterien
• IEC 62619: Industrielle Sekundär-Lithiumzellen und -batterien
• IEC 62660-2: Zuverlässigkeit und Missbrauchstests von Elektrofahrzeugzellen
• SAE J2464: Sicherheit und Missbrauchstests von RESS
• UL Solutions: Sicherheitsrichtlinien für große Lithium-Ionen-Batteriesysteme

Dieser Artikel ist eine technische Übersicht und kein Ersatz für den vollständigen Standard, ein akkreditiertes Prüflabor oder eine produktspezifische Sicherheitsbewertung.