Ein neuer Algorithmus kann Lithium-Ionen-Batterien sicherer machen

2020-04-21 11:20:19

Lithium-Ionen-Batterien sind von Natur aus gefährlich. Kurzschlüsse, mechanischer Missbrauch, Überladung der Batterie sowie Konstruktions- und Herstellungsfehler können zu einem Brand oder einer Explosion führen. Im Jahr 2017 berichtete die Federal Aviation Administration, dass in Flugzeugen alle 10 Tage ein Lithium-Ionen-Batterie-Brand auftrat. Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch auch zu den führenden Energiespeichern in Mobiltelefonen, medizinischen Geräten, Elektroautos und erneuerbaren Stromnetzen geworden. Deshalb ist es eine Frage der persönlichen und nationalen Sicherheit, zu verstehen, wie und warum sie versagen.


Forscher der University of Colorado in Denver und des National Renewable Energy Lab (NREL) haben möglicherweise einen Weg gefunden, Lithium-Ionen-Batterien sicherer zu machen, indem sie Fehler erkennen, bevor die Batterien Feuer fangen. Mithilfe eines neuen Echtzeitalgorithmus können Forscher die Ladung und den Zustand einzelner Elektroden in den Batterien abschätzen. Der Algorithmus verfolgt Fehler auf Elektrodenebene, sobald sie auftreten, und bietet die Möglichkeit, Korrekturmaßnahmen zu ergreifen (z. B. das Herunterfahren der Batterie), bevor der Fehler katastrophal wird.


Die Studie wurde in der Zeitschrift IEEE Transactions on Industrial Electronics veröffentlicht.


"Unsere größte Herausforderung besteht darin, dass niemand sehen kann, was in einer Batterie vor sich geht", sagte Dr. Satadru Dey, Assistenzprofessor für Elektrotechnik am College für Ingenieurwesen, Design und Computer an der CU Denver. „Die meisten Untersuchungen zu Echtzeit-Batteriemanagementalgorithmen untersuchten Batterien aus Sicht der Zellebene. Um genau zu wissen, was in der Batterie passiert, müssen wir weiter zoomen und uns auf die einzelnen Elektroden konzentrieren. “


Lithium-Ionen-Batterien fallen schnell aus


Dies liegt daran, dass ein Lithium-Ionen-Akku schnell ausfällt, wenn er ausfällt. Beim Laden oder Entladen einer Batterie bewegen sich Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden der Batterie durch einen gelartigen, leicht entflammbaren Elektrolyten. Der Moment des Ausfalls - ob durch schlechtes Design oder zu viel Hitze - löst normalerweise einen „thermischen Durchgang“ aus: einen Wärmestau, der in einer unkontrollierten positiven Rückkopplungsschleife wächst, bis er mit einem Feuer oder einer Explosion endet, manchmal innerhalb von Sekunden der anfängliche Fehler.


Das Batteriemanagementsystem (BMS), das häufig in Autos und anderen größeren Systemen verwendet wird, verwendet Algorithmen, um den Batterien mitzuteilen, wie sie geladen oder entladen werden sollen, wie viel Ladung noch vorhanden ist und manchmal den allgemeinen Batteriezustand zu verfolgen. Derzeit kann es wenig tun, um auf Probleme mit internen Batterieausfällen zu reagieren.


„Unser Ziel ist es, herauszufinden, wie das System aufgerüstet werden kann, um im ersten Moment eines Batteriefehlers Korrekturmaßnahmen zu ergreifen. Um dies zu erreichen, besteht der erste Schritt darin, den Fehler sehr früh zu erkennen “, sagte Dey.


Die Batteriesicherheit bleibt hinter der Innovation zurück


In der Studie haben die Forscher die Spannung an den Elektroden gemessen und die Differenz zwischen beiden bestimmt. Anschließend erstellten sie ein Schema für eine Echtzeitschätzung, das die separaten Elektrodeninformationen ableitet und den Forschern ein Gefühl für die Kapazität und Ladung jeder Elektrode vermittelt.


"Je mehr Informationen wir über die einzelnen Elektroden haben, desto bessere Korrekturmaßnahmen können wir ergreifen", sagte Dey. „Wenn wir wissen, dass die negative Elektrode schneller stirbt als die positive Elektrode oder welche Elektrode fehlerhaft ist, können wir uns Korrekturmaßnahmen vorstellen, die einen solchen Fehler verlangsamen könnten. Andererseits, je mehr wir über Mechanismen zum Versagen von Batterieelektroden erfahren, desto wahrscheinlicher können wir bessere Batterien bauen. “


Derzeit kann die Schätzung den Fehler innerhalb von 100 Sekunden erkennen, aber das muss in Zukunft viel schneller sein, sagte Dey. Schließlich besteht das Ziel darin, ein fortschrittliches BMS zu entwickeln, das im ersten Moment des Fehlers eine Art interne Korrekturmaßnahme auslösen kann, um zu verhindern, dass die Batterie in einen thermischen Durchlaufzustand gerät. Für Dey ist das wichtig, weil er glaubt, dass die Batteriesicherheit immer hinter der Innovation zurückgeblieben ist.


"Wenn über Batterien gesprochen wird, geht es oft darum, wie Effizienz, Energie und Leistung verbessert werden können", sagte Dey. „Sicherheit sollte aber immer wichtiger sein. Niemand möchte um ein effizientes Auto herumfahren, das explodieren könnte. “