Die getesteten Lithium-Ionen-Zellen wurden in flüssigem Stickstoff (LN2) gelagert. Elektrochemische Untersuchungen vor und nach dem direkten Kontakt mit LN2 zeigten keine direkten Auswirkungen.
Quelle: BAM
Der Transport und die Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien (besonders in einem beschädigten oder undefinierten Zustand) ist eins sicherheitstechnische Herausforderung für Transportunternehmen, Hersteller und letztendlich die BAM, die als zuständige Behörde die entsprechenden Genehmigungen für den Transport kritisch-defekter Batterien erteilen kann. Da die (elektro-)chemische Reaktivität jedoch stark von der vorherrschenden Temperatur abhängt, ist die Kühlung solcher Batterien eine naheliegende Maßnahme zur Verbesserung ihrer Sicherheit.
In der vorliegenden Studie wurden die Auswirkungen des kryogenen Einfrierens auf die elektrochemische und physikalische Stabilität von Li-Ionen-Zellen untersucht. Zu diesem Zweck wurden drei verschiedene Zelltypen wiederholt in flüssigem Stickstoff (LN2) eingelegt. Vor und nach jedem Kühlzyklus wurden elektrische und elektrochemische Messungen durchgeführt, um die direkten Auswirkungen der einzelnen Einfriervorgänge zu bewerten. Während sich das elektrochemische Verhalten der Zellen nach dem Einfrieren in LN2 nicht wesentlich veränderte, zeigte sich, dass nach einem längeren Kühlzeitraum eine signifikante Anzahl von Zellen physische Veränderungen (Aufblähen) und Funktionsausfälle aufwies. Der letztgenannte Defekt wird durch eine interne Sicherheitsmaßnahme speziell in zylindrischen Zellen verursacht. Dieser Sicherheitsmechanismus wird durch den Überdruck des expandierenden Stickstoffs ausgelöst, der bei kryogenen Temperaturen in die Zellen eindringt.
Diese Studie unterstreicht daher die weithin akzeptierte Annahme, dass LN2-Kühlung auf Materialebene keine Änderungen hervorruft. Dennoch ist eine direkte Extrapolation auf die physikalische Integrität der vollständigen Zelle nicht möglich, da Stickstoff bei kryogenen Temperaturen in die Zelle eindringt und sich bei beim Auftauen ausdehnt. Dies kann einen inneren Überdruck verursachen, welcher letztlich zu mechanischen Schäden an der Zelle führt. Daher ist eine geeignetere Kühllösung unabdingbar für einen tiefgekühlten Transport.
Exploring the electrochemical and physical stability of lithium-ion cells exposed to liquid nitrogen
Robert Leonhardt, Nils Böttcher, Shahab Dayani, Arielle Rieck, Henning Markötter, Anita Schmidt, Julia Kowal, Tim Tichter, Jonas Krug von Nidda
Journal of Energy Storage, 2024