Sachstand ROLAND GOERTZ FAKULTÄT FÜR MASCHINENBAU UND SICHERHEITSTECHNIK LEHRSTUHL FÜR ABWEHRENDEN BRANDSCHUTZ

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1 Gefahrenabwehr bei der Zersetzung von Li-Ionen-Akkus Sachstand ROLAND GOERTZ FAKULTÄT FÜR MASCHINENBAU UND SICHERHEITSTECHNIK LEHRSTUHL FÜR ABWEHRENDEN BRANDSCHUTZ

2 Li-Batterien Primär = nicht wiederaufladbar Sekundär = wiederaufladbar z. B. Li-Batterien im Fotoapparat z. B. Li-Ionen- Akkus Li-Polymerakkus

3 Wiederaufladbare Lithium-Systeme Li-Metall Li-Ionen Li-Metall-Akkus Li-Ionen-Akkus -mit metallischem Lithium- Li-Metall-Polymer- Akkus -ohne metallisches Llithium- Li-Ionen-Polymer- Akkus

4 ELEKTRISCHE SPEICHER IM VERGLEICH ENERGIEDICHTEN Energiedichte Einheit Pb NiCd NiMH Li-Ionen Li-Ionen- Polymer volumetrisch Wh/l gravimetrisch Wh/kg Quelle: J. Tübke, Fraunhofer ICT Pfinztal, Elektrische Speicher maximale elektrische Energiedichte derzeit ca. 0,58 kwh/l Heizwert etwa 10-faches der elektrischen Energiedichte; etwa 5,8 kwh/l. Das bedeutet, dass bei gleichem Volumen hat Benzin etwa 1,5 mal mehr Energie Heizwert von Otto-Kraftstoff etwa 8,6 kwh/l.

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6 ENERGIEDICHTEN Quelle: J. Tübke, Fraunhofer ICT Pfinztal, Elektrische Speicher

7 Die Batterien sind heute wie in der Zukunft die Schlüsselkomponente der Elektromobilität um es nicht negativ zu sagen: ihre Achillesverse. acatech Arbeitsgruppe Energiespeicher, Stellungnahme zur Elektromobilität, 2010 Energie- und Leistungsdichte, Lebensdauer, Kosten, Umweltverträglichkeit und Sicherheit Aus: C. Rennhak, G. Ufer (Hrsg.) Reutlinger Diskussionsbeiträge zu Marketing und Management 2012 Nr. 3 Univ.-Prof. Dr. Roland Goertz

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9 Kathode Kathodenmaterialien 1. Layered Oxides LiMO 2 mit M = Co, Ni, Mn, Al (Oxide mit schichtartigem Aufbau) Häufige Substanz: Li 1-x CoO 2 (LCO) 2. Spinelle LiM 2 O 4 mit M = Ni, Mn Häufige Substanz: Li 1-x Mn 2 O 4 (LMO) 3. Phosphate LiMPO 4 mit M = Fe, Co, Ni, Mn Häufigste Substanz: Li 1-x FePO 4 (LFP) auf Aluminiumfolie als Elektrodenmaterial Abbildung aus: Ketterer, Karl, Möst, Ulrich Forschungszentrum Karlsruhe, Wissenschaftlicher Bericht FZKA 7503, Oktober 2009

10 Aus: Peter Lamp, Anforderungen an Batterien für die Elektromobilität, in Handbuch Lithium-Ionen-Akkus, S. 404, Springer Vieweg 2013 Univ.-Prof. Dr. Roland Goertz Kathode

11 Kathode Sauerstoffpotential verschiedener Kathodenmaterialien Sicherheit

12 Anode Anodenmaterialien auf Kupferfolie als Elektrodenmaterial Aus: Handbuch Lithium-Ionen-Akkus, S. 404, Springer Vieweg 2013 Univ.-Prof. Dr. Roland Goertz

13 Elektrolyt Elektrolyt Elektrolyt Lösungsmittel Leitsalze

14 Organische Carbonate als Lösungsmittel Name Struktur Siedetemperatur Flammpunkt Ethylencarbonat (EC) 248 C 160 C Propylencarbonat (PC) 242 C 135 C Dimethylcarbonat (DMC) Diethylcarbonat (DEC) Ethylmethylcabonat (EMC) 90 C 15 C 127 C 33 C 108 C 23 C

15 Andere Lösungsmittel Ester Name Struktur Siedetemperatur Flammpunkt Ethylacetat (EA) 77 C -4 C Methylpropylacetat (MP) 102 C 11 C Ether Name Struktur Siedetemperatur Flammpunkt Tetrahydrofuran 65 C -17 C

16 Leitsalze Lithiumhexafluorophosphat LiPF 6 andere

17 LITHIUM-IONEN-ZELLE ZELLAUFBAU UND ZELLREAKTIONEN laden LiCoO Li CoO 2 1-x 2 + x Li + + x e - (0 < x < 0,6) entladen x Li + + C 6 (Graphit) + x e - laden entladen Li x C 6 (0 < x < 1)

18 LITHIUM-IONEN-POLYMER-AKKU FESTSTOFF-ELEKTROLYT (GEL)

19 LI-IONEN-ZELLE THERMISCHES DURCHGEHEN 1. Anode: Reaktion zwischen Elektrolyt und LixC 6 (x ~ 1) 2. Kathode: ab 130 C und x < 0,5 Reaktion zwischen Elektrolyt und Li x CoO 2 Li x NiO 2 Li x Mn 2 O 4 Reaktion: 10 Li 0,5 CoO 2 + C 3 H 4 O 3 5 LiCoO CoO + 3 CO H 2 O Weitere Temperatursteigerung führt zu: 6 Li 0,5 CoO 2 3 LiCoO 2 + Co 3 O 4 + O 2

20 - Thermischer - Mechanischer - Elektrischer Stress Unkontrollierte Energiefreisetzung thermal runaway Lithium-Batterie Chemisch/stoffliche Auswirkungen

21 ZERSETZUNGSPRODUKTE VON LI-IONEN-AKKUS LiPF 6 ALS LEITSALZ 380 K LiPF 6 LiF + PF 5 (unter Ausschluss von Wasser) PF 5 + H 2 O POF HF LiPF 6 + H 2 O LiF + POF HF POF H 2 O H 3 PO HF Thermal Stability of LiPF 6 Salt and Li-ion Battery Electrolytes Containing LiPF 6 Hui Yang a, Guorong V. Zhuangb, and Philip N. Ross, Jr. Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California, Berkeley, CA 94720

22 CO, CO 2 Organ. Produkte HF POF 3 usw. Schwermetalle Nanopartikel

23 ERGEBNISSE DER LÖSCHVERSUCHE AN MODELLSYSTEMEN Ergebnisse einfacher makroskopischer Löschversuche an Modellsystemen Wasser gut geeignet Wasser mit Gelbildner gut geeignet Pulver ungeeignet Schaum prinzipiell geeignet Kohlendioxid völlig ungeeignet

24 ZUSAMMENFASSUNG GEFAHREN Atomare Gefahren Ausbreitung Atemgifte Angst Elektrizität Einsturz Explosion Erkrankung Chemische Gefahren

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