Modellierung und Simulation des thermischen Runaways in zylindrischen Li-Ionen Batterien

Der thermische Runaway einzelner Lithium-Ionen Batterien (LIB) in größeren Batteriepacks ist ein Worst Case Szenario das unter allen Umständen vermieden werden muss. In dieser Arbeit wird das elektrochemisch-thermische Modell basierend auf der porösen Elektroden-Theorie von Newman [1] mit Beiträgen von exothermen Seitenreaktionen erweitert. Diese Reaktionen spielen die entscheidende Rolle, wenn sich durch zu starke Tem-peraturerhöhung innerhalb einer LIB ein thermischer Runaway ausbildet. Die Modellierung und Simulation wird am Beispiel einer einzelnen zylindrischen 18650 Zelle mit einer LiCoO2 Kathode exemplarisch betrachtet. Zuerst wird das elektrochemisch-thermische Modell eingeführt und mit zusätzlichen Wärmequellen, die von den unterschiedlichen exothermen Reaktionen in der Zelle kommen, erweitert. Diese Wärmequellen lassen sich durch ein Solid Fuel Model bzw. Constant Fuel Model [2, 3, 4] modellieren.
Danach werden Simulationen des erweiterten Modells für ausgewählte Temperatur-Profile und Strom-Profile unter Variation bestimmter Systemparameter diskutiert. Das Ziel der Simulationen ist es, kritische Systempa-rameter zu identifizieren, sowie die räumlich-zeitliche Temperaturentwicklung der Zelle zu betrachten. ... mehrDaraus wird eine Klassifizierung des thermischen Runaways unter Berücksichtigung der exothermen Reaktionen in der LIB vorgenommen. Dazu werden die Temperatur T , die Heizrate dT /dt, sowie die zweite zeitliche Ableitung der Temperatur d2T /dt2 betrachtet.
Im abschließenden Teil werden Simulationsergebnisse mit experimentellen Messungen verglichen sowie ein Ausblick auf zukünftige Arbeiten gegeben.