Innovationsforum Modelllösung Logistik für Elektrofahrzeuge LOeMO. Fachgruppe Verpackungssysteme. Dr. Thomas Forchert

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1 Innovationsforum Modelllösung Logistik für Elektrofahrzeuge LOeMO Fachgruppe Verpackungssysteme Dr. Thomas Forchert news

2 1. Ausgangssituation 2. Ansätze zur Brandverhinderung 3. Produkt- und Verfahrensvergleich 4. Beispiele 2

3 1. Ausgangssituation Lithium-Ionen Zellen stossen heute an die theoretisch möglichen Grenze der Energiedichte. Mit der zunehmenden Energiedichte der Lithium-Ionen Zellen wird der Herstellungsprozess immer aufwendiger. Die Fertigungsprozesse müssen noch deutlich verbessert werden, um akzeptable Fehlerraten zu erreichen. Wesentlicher Fokus ist dabei die Vermeidung von (metallischen) Partikeln. Zwischen Anode und Kathode können sich Kurzschlußströme bilden, wenn sich metallische Partikel an einem Punkt konzentrieren. Dies führt zu einer lokalen Temperaturerhöhung, welche letztlich zu einem thermischen Durchgehen (Thermal runaway) und zu einer Elektrolyt-Verpuffung (Venting with flame) führen kann. Hauptgrund für den Brand einer Lithium-Ionen Batterie ist die Überhitzung einer oder mehrerer Zellen mit nachfolgendem Verdampfen von Elektrolyt. Die Verdampfung führt, sofern diese nicht gestoppt werden kann, bis zum Bersten der Zelle. Der heisse Elektrolytdampf bildet mit Luft-Sauerstoff ein sehr zündfähiges Gemisch. 3

4 Ausgangssituation (3) spectrum.ieee.org Schadensbilder Boeing Dreamliner There were multiple signs of short-circuiting in the cell, which led to an uncontrollable rise in temperatures, or thermal runaway, to adjacent cells, she said. businessinsider.com npr.org 4

5 Ausgangssituation (4) Schadensbilder Pouchzelle Zellenstapel Photos: Celono 5

6 2. Ansätze zur Brandverhinderung Vorbeugender Brandschutz Kühlen und Kondensieren des Elektrolytdampfs Reduktion des Sauerstoffvolumens Verhinderung der Gemischbildung und der Entzündung Löschung eines Brands Den Brandherd und die Brandgase kühlen Begrenzung der Brandausdehnung und der Verhinderung der Verpuffung Brandschutz des Batteriegehäuses und interner brennbarer Komponenten 6

7 3. Produkt- und Verfahrensvergleich 3.1. Produktvergleich Kriterien Glasgranulat Vermikulit Mineral wolle Wasser, Salz- Wasser Trockeneis Dichte Kg/m Spez. Wärmekapazität kj/kg K 0,7 4,2 Wärmeleitfähigkeit W/mK 0,075 0,6 Elektrolyt-Sorption l/kg 2,5?? ja nein Löschmittel-Zulassung A,B,D,F nein nein ja ja Wiederverwendbarkeit ja ja nein nein nein Maschinelles Entleeren ja ja nein ja ja Recyclingfähigkeit der Batterien ja ja ja nein ja Einsatz über Monate ja ja ja ja nein Deponierfähig ja? ja nein - 7

8 Vergleich der Transportschutzmethoden Füllstoff Aussenverpackung Stahl druckfest bis 0,5 bar Stahl druckfest Stahl mit Isolation Kunststoff Kunststoff druckfest Holz Glasgranulat Mineralwolle Wasser/Säure Trockeneis Brandlast? Brandlast Brandlast? Brandlast 8

9 Vergleich der Transportschutzmethoden (2) Kriterien Glasgranulat + Kiste aus Stahl Mineralwolle + Kiste aus Holz Säure + Metallbehälter Trockeneis + Isolierbehälter Recyclingfähigkeit der Lithium-Ionen Batterie Automatisches Handling der Batterien Wiederverwendbarkeit des Brandschutzmittels Wiederverwendbarkeit des Behälters Brandlast der Verpackung Gewicht der Verpackung Innenverpackung erforderlich ja, 100% ja, 100% nein ja Ja nein offen ja ja, 100% nein nein nein ja, 100% eingeschränkt ja, 100% ja Keine Noch zu analysieren Hoch Holz 350 kwh/70kg Keine Hoch (Isolation) nein ja? ja 9

10 Kiste aus Stahl Verpackungsgruppe I, erfüllt UN3480 sowie die Sondervorschriften 661 und M259 Abbildung Beispielhaft Photo : ESE 10

11 Kiste aus Kunststoff Verpackungsgruppe II, erfüllt UN3480 sowie die Sondervorschrift M259 Abbildung Beispielhaft Photo: Fawik.nl 11

12 Füllstoff: Glasgranulat Hauptbestandteil SiO 2 Partikelgrösse mm 1-5 Schüttdichte Kg/m3 235 Spezifische Wärmekapazität kj/kg K 0,7 Wärmeleitfähigkeit W/mK 0,075 Elektrolyt-Sorption l/kg 2,5 Löschmittel DIN EN 3-7 Klasse A,B,D,F Wiederverwendbar Automatisiertes Entleeren Deponierbar ja ja ja Quelle: Genius Entwicklungsgesellschaft 12