Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien ist mit hohen thermischen Risiken verbunden. Daher spielt die allgemeine Sicherheit im Brandfall eine wesentliche Rolle bei der Entwicklung von Batteriegehäusen. Mit dem neu entwickelten und patentierten Druckausgleich-, Drucküberlastventil (DAÜ-Ventil) sorgt tmax für erhöhten Brandschutz bei einem sogenannten thermischen Durchgehen, d. h. im Fall eines Brandes im Inneren des Gehäuses, und hilft somit das thermische Risiko zu minimieren.
Anforderungen an ein Ventil: Druckausgleich und -überlast
Da Lithium-Ionen-Batterien aktuell aufgrund der hohen Ladungsdichte vor allem mit oxidischem Kathodenmaterial hergestellt werden, versorgt sich ein einmal entzündeter Brand fortan selbst mit Sauerstoff. Dieser brennt auch im geschlossenen Gehäuse weiter, wodurch die Gefahr der Propagation besteht, d. h. der Entzündung anderer, benachbarter Batteriezellen.
Ohne konstruktive Maßnahmen wird dabei der im Gehäuse entstehende Druck zu hoch, ein Bersten oder ein Versagen von Dichtsystemen droht und die hochgiftigen Rauchgase können unkontrolliert austreten. Das Ventil soll dies verhindern und bei einem definierten Überdruck die Rauchgase kontrolliert an die Umgebung abgeben. Aufgrund der auftretenden hohen Temperaturen sollte das Ventil in der Grundstruktur feuerfest ausgeführt sein.
Die Lösung: Druckausgleich-, Drucküberlastventil (DAÜ-Ventil)
Da die am Markt verfügbaren DAÜ-Ventile den Anforderungen hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und notwendigen (geringen) genauen Berstdruck nicht entsprechen, hat tmax ein eigenes Sicherheitsventil entwickelt.
Das umgesetzte Konstruktionsprinzip stellt eine sehr kleine Toleranz des individuell ausgelegten Berstdruckes (ab 250mbar) sicher. Das DAÜ-Ventil zeichnet sich zudem durch eine kompakte Bauweise aus und erfüllt die Schutzklasse Schutzart IP-67 und IP-6k9k. Sämtliche Einzelkomponenten werden ohne spezifische Werkzeuge hergestellt, die Parameter Luftdurchsatz und Berstdruck können dadurch über Anpassungen der Geometrie in einfacher Weise skaliert werden. Auch kleinere Stückzahlen können dadurch ohne Werkzeugkostenaufschläge produziert werden. Die metallische Ausführung gewährleistet eine optimale EMV-Abschirmung und ermöglicht einen optionalen Anschluss für eine geführte Rauchentgasung über ein angeschlossenes Kanalsystem. Durch den Einsatz einer semipermeablen Membran wird die natürliche Wärmeexpansion beim Laden und Entladen der Batterie und die Luftdruckschwankungen der Umgebungen ausgeglichen.
Die Drucküberlastfunktion (Berstfunktion) wird mittels eine Berstscheibe realisiert. Wenn der Druck im Gehäuse zu hoch wird, ermöglicht das Zusammenspiel zwischen Membrane und Berstscheibe das Öffnen des Ventils. So kann das unter Druck stehende Gas kontrolliert aus dem Gehäuse entweichen. Die labyrinthartige Konstruktion sorgt zudem dafür, dass im Brandfall das Austreten bzw. Übergreifen der Flammen stark vermindert wird. Durch Versuche im tmax eigenen R&D-Labor wurde das System hinsichtlich seiner Funktionalität geprüft. Die Variabilität der Einstellmöglichkeiten des Berstdruckes, deren enge Toleranz und die Schutzklasse konnten entsprechend bestätigt werden. Das System wurde patentiert.
