Kühlmethode für Lithium Ionen Batterien

Welches ist die bessere Kühlmethode für Lithium Ionen Batterien?

Im Spannungsfeld zwischen abrufbarer Leistung und vorzeitiger Degradation gibt es für Lithium Ionen Batterien einen optimalen Arbeitspunkt. Dieser liegt bei etwa 20-25°C. Doch Stromfluss und Umwelt beeinflussen diese optimale Arbeitstemperatur. Wärmemanagement-Produkte von CMC Klebetechnik helfen dabei, diesen optimalen Betriebsbereich einzuhalten.

Zu warme LION Batterien verlieren ihre Speicherfähigkeit und können im schlimmsten Fall thermisch durchgehen (Thermal Runaway). Zu kalte Lithiumbatterien haben einen erhöhten Innenwiderstand und die Degradation durch metallisches Lithium (lithium plating) lässt sie schneller altern. Batteriewärmemanagement gewährleistet also einen sicheren Betrieb und schützt vor einer vorzeitigen Batteriealterung.

Gängige Lösungen für das Thermal Management sind forcierte Liftkühlung oder flüssigkeitsbasierende Kühlsysteme. Sie können entweder die gesamte Oberfläche (surface) einer Zelle kühlen oder die Anschlussfahnen (Tab`s). Die Kühlung mit Luft ist zwar kostengünstig, aber weniger effizient wie eine Flüssigkühlung.

Bereits etliche Untersuchungen in Testlaboren und Hochschulen haben sich damit beschäftigt, auf welche Weise man LION Batterien am besten im optimalen Temperaturbereich hält.

Dabei stellt sich immer wieder heraus, dass die Kühlung der Batterien an den Anschlussfahnen die bessere Alternative ist gegenüber einer großflächigen Kühlung der Außenseite der Batterien. Das gilt insbesondere für den Hochlastbetrieb.

Doch warum gibt es einen Unterschied? 

Batterien bestehen üblicherweise aus mehreren Lagen von Metallelektroden (Anode und Kathode). Diese Stapel (pouches) liefern den benötigten Strom. Dazu sind alle einzelnen Batteriezellen parallelgeschaltet. Werden die Batterien an der Außenseite gekühlt, erhitzen sich die einzelnen Batteriezellen-Lagen im Inneren stärker als außen. Dadurch erhöht sich der Stromfluss im Zentrum der Batterie, da die äußeren, gekühlten Lagen wegen des höheren Widerstands weniger zum Gesamtstrom beitragen. Das führt zu einer beschleunigten Alterung im Inneren der Zelle.

Bei der Kühlung über die Anschlussfahnen (Tab) dagegen werden alle Zellen auf gleiche Weise gekühlt. Der Lade- und Entladestrom verteilt sich gleichmäßiger und die einzelnen Zellen-Layer verhalten sich wie ein gemeinsamer Block. 

Bei Verwendung eines flüssigkeitsbasierenden Systems kann mit der Tab-Kühlung zudem bei Kälte (Winterbetrieb) vorgewärmte Kühlflüssigkeit schnell und effizient Wärme in die einzelnen Batteriezellen eintragen.

Für Hochstrom-Anwendungen wie „Schnelles Laden“ und leistungsstarken Elektromotoren kann der Lebensdauerunterschied (<80% Restkapazität) der Lithium-Ionen-Batterien bis zum Dreifachen betragen. Daher empfehlt die CMC Klebetechnik die Verwendung von wärmeleitenden Pads, um die Busbars von großen Batteriepacks thermisch an eine Wärmesenke anzukoppeln. Weiche, hoch thermisch leitende Silikonmatten und wärmeleitende Silikonpads passen sich ideal an die unebene Oberfläche der Busbars an und koppeln effizient die Verlustwärme der Batteriezellen aus.