de.wedoany.com-Bericht: Forscher der China University of Petroleum (Peking) und der Chinesischen Akademie für Arbeitssicherheit und Gesundheit haben einen gradientenlaminierten, keramisierbaren Silikonschaum-Verbundwerkstoff entwickelt, der bei einem Thermal Runaway von Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersystemen wirksam ein Kaskadenversagen verhindert. Das Material erzeugt durch ein mehrskaliges Füllstoffsystem bei hohen Temperaturen eine dichte Keramikbarriere und widersteht gleichzeitig dem Aufprall von Hochtemperatur- und Hochdruckgasstrahlen.
Die Ausbreitung von Thermal Runaway ist ein Hauptsicherheitsrisiko für Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichersysteme im Versorgungsmaßstab. Die Kerntemperatur der während eines Thermal Runaway ausgestoßenen Gasstrahlen kann 800 °C bis 1.200 °C erreichen, mit einer Ausstoßgeschwindigkeit von über 200 m/s. Herkömmliche passive Isoliermaterialien versagen unter diesen Bedingungen leicht: Organische Schäume kollabieren oberhalb von 300 °C, anorganische Fasermaterialien zerfallen unter dem Aufprall von Hochgeschwindigkeitsgasstrahlen.
Der vom Forschungsteam entwickelte Verbundwerkstoff verwendet Polydimethylsiloxan-Schaum als Matrix, eingebettet in ein Glasfasergewebe-Skelett, und enthält ein mehrskaliges Füllstoffsystem aus Ammoniumpolyphosphat, Zinkborat, Kaolin und Siliciumdioxid-Aerogel. Unter normalen Betriebsbedingungen bleibt das Material flexibel und elastisch, behält seine mechanische Stabilität im Bereich von -40 °C bis 300 °C und weist nach 1.000 Druckzyklen noch eine Restspannung von 93 % auf. Bei Flammeneinwirkung initiieren die Füllstoffe einen mehrstufigen Keramisierungsprozess: Flammschutzmittel setzen Inertgase frei und fördern die Verkohlung; Kaolin und Siliciumdioxid-Aerogel durchlaufen oberhalb von 600 °C eine Flüssigphasensinterung und bilden eine dichte Keramikbarriere. Selbst wenn die Schaumoberfläche beschädigt ist, widersteht das eingebettete Glasfasergewebe der Perforation durch den Hochdruckgasstrahl.
Im Kegelkalorimetertest zeigte der Verbundwerkstoff im Vergleich zu gewöhnlichem Silikonschaumgummi eine Reduzierung der gesamten Wärmefreisetzung um 54,4 % und eine Verringerung der Rauchentwicklung um 87,9 %. Unter einer Butanflamme von etwa 1.100 °C blieb das Material über 30 Minuten strukturell intakt, wobei die Rückseitentemperatur stabil bei 97,1 °C lag. Die gemessene Wärmeleitfähigkeit betrug 0,046 W/(m·K), etwa 50 % niedriger als bei unmodifiziertem Silikonschaumgummi. Der Grenzsauerstoffindex des Materials erreichte 33,5 %, und es bestand die UL-94 V-0-Brandschutzklasse.
Die Leistungsbewertung des Batteriemoduls erfolgte mit drei kommerziellen 37-Ah-Pouchzellen in einer kontrollierten Drei-Zellen-Konfiguration. Ohne Isolierung breitete sich der Thermal Runaway von der ersten Zelle innerhalb weniger Sekunden auf alle drei Zellen vollständig aus. Bei Verwendung von 3 mm herkömmlichem Silikonschaumgummi wurde die Ausbreitung verzögert, aber nicht verhindert. Bei Verwendung des 3 mm keramisierbaren Verbundwerkstoffs wurde der Thermal Runaway auf die auslösende Zelle begrenzt; die Vorderseitentemperatur der benachbarten Zellen erreichte 167,1 °C, überschritt jedoch nicht die Runaway-Schwelle.
Der gesamte Massenverlust im Test mit dem keramisierbaren Verbundwerkstoff betrug 255,4 g, verglichen mit 796,3 g im Test mit herkömmlichem Silikonschaumgummi, was mit den Ergebnissen der Einzelzellenbegrenzung übereinstimmt. In einem separaten Vergleichstest desselben Forschungsteams wurde mit einer kommerziellen Aerogelmatte ebenfalls eine Einzelzellenbegrenzung erreicht, jedoch mit einer etwas höheren Vorderseitentemperatur der benachbarten Zellen von 181,1 °C. Die Forschungsarbeit weist darauf hin, dass die Dicke des Verbundwerkstoffs von 3 mm die volumetrische Energiedichte des Batteriemoduls erhält und sein Herstellungsprozess mit der industriellen Rolle-zu-Rolle-Fertigung kompatibel ist.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nano-Micro Letters veröffentlicht, mit dem Titel „Constructing Intrinsically Safe Lithium-Ion Battery Energy Storage via Gradient-Laminated Ceramifiable Silicone Foams“ (Aufbau eines intrinsisch sicheren Lithium-Ionen-Batterie-Energiespeichers durch gradientenlaminierte keramisierbare Silikonschäume). Die Forschung wurde von Professor Congling Shi von der Chinesischen Akademie für Arbeitssicherheit und Gesundheit und Professor Laibin Zhang von der China University of Petroleum (Peking) geleitet, zu den Co-Autoren gehören Shuilai Qiu und Jingyao Xu.
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