Das Batteriedesign für mehr Sicherheit neu denken

Mit der Zunahme an Elektroautos wächst die Sorge, dass sich thermische Vorfälle und Batteriebrände häufen könnten. 24M Technologies warnt vor den Risiken und sieht die Lösung in neuen Zellarchitekturen. 

Der von Volkswagen unterstützte US-amerikanische Batteriezellenentwickler 24M Technologies, eine Ausgründung des Massachusetts Institute of Technology (MIT), warnt davor, dass mit der weltweit steigenden Zahl von Elektrofahrzeugen und der zunehmenden Energiedichte der Zellen thermische Zwischenfälle zunehmen werden. Dies habe laut 24M erhebliche Auswirkungen auf die öffentliche Sicherheit und die Rentabilität der OEMs. Abhilfe sollen neue Batteriezell-Designs schaffen.

Brände bei Elektrofahrzeugen seltener, aber potenziell gefährlicher

Die Gesamtzahl der Elektrofahrzeuge auf den Straßen weltweit soll bis 2030 voraussichtlich 250 Millionen erreichen, gegenüber rund 43 Millionen Fahrzeugen im Jahr 2023. In einigen Märkten – zum Beispiel dem Vereinigten Königreich – ist bereits ein Anstieg der thermischen Zwischenfälle mit Elektrofahrzeugen um 33 % von 2022 auf 2023 zu verzeichnen. Daher geht 24M davon aus, dass sich das Problem der E-Fahrzeugbrände verschärfen wird. 

Zwar seien Brände bei Elektrofahrzeugen weitaus seltener als Brände bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, laut Daten der schwedischen Behörde für Zivilschutz und Katastrophenhilfe (MSB) geraten Elektroautos 20-mal seltener in Brand als Benzin- und Dieselautos. Jedoch würden Brände bei E-Autos ein großes Sicherheitsrisiko darstellen, so 24M, da sie viel gefährlicher seien und häufiger auftreten, wenn das Fahrzeug geparkt sei oder aufgeladen werde. "Selbst bei einer konservativen Rate von einem Brand pro 10.000 Elektrofahrzeuge könnten die thermischen Zwischenfälle bis zum Ende des Jahrzehnts weltweit 25.000 pro Jahr erreichen", heißt es von 24M.

Zunehmende Zellenergiedichte erhöht Risiko 

Neben dem Wachstum des EV-Volumens sei die Zellenergiedichte ein weiterer Faktor, so 24M, der die Batteriesicherheit beeinflusse. So habe die Energiedichte im Laufe der Zeit kontinuierlich zugenommen, was aufgrund energiereicherer Materialien und kleineren Sicherheitsabständen bei den Zellenkomponenten längere Reichweiten und eine stärkere Verbreitung von EVs ermöglicht habe. "Doch trotz aller Bemühungen der Hersteller lassen sich Prozessfehler, insbesondere Kontaminationsrisiken, nicht vollständig vermeiden", heißt es. Diese Probleme sowie das Wachstum immer schnellerer Ladefähigkeiten sollen die Gefahr von internen Kurzschlüssen erhöhen, die von außen nicht gestoppt werden könnten.

Dazu kommt: Rückrufe aufgrund von Bränden von Traktionsbatterien können Kosten in Millionenhöhe verursachen. Mehrere Automobilhersteller mussten in den letzten fünf Jahren bereits kostspielige Rückrufe durchführen. Zum Beispiel Hyundai. So musste der südkoreanische Autobauer weltweit die Batterien in fast 82.000 seiner Elektrofahrzeuge wegen Brandgefahr austauschen, wie die BBC berichtete. Der Rückruf habe Hyundai etwa 900 Millionen US-Dollar gekostet.

Zelldesign neu denken

Um Rückrufe zu vermeiden und die Batteriesicherheit zu erhöhen, rät 24M dazu, das Zelldesign grundlegend zu überarbeiten. Zwar gebe es Systeme, um einen einmal ausgebrochenen Brand einzudämmen, doch 24M sei davon überzeugt, dass Brände in Elektrofahrzeugen durch die richtige Bekämpfung und Vermeidung der Ursachen von vornherein verhindert werden könnten. "Andernfalls müssen die Automobilhersteller in den kommenden Jahren mit erheblichen zusätzlichen Kosten und einem erhöhten Risiko für die öffentliche Sicherheit rechnen", so 24M.

Naoki Ota, Präsident und CEO von 24M Technologies erklärt: "Die aktuellen Sicherheitsherausforderungen der Branche sind auf jahrzehntealte Prinzipien des Batteriedesigns zurückzuführen. Obwohl wir bemerkenswerte Fortschritte bei der Kostensenkung und Energiedichte erzielt haben, bauen wir immer noch auf Architekturen auf, die sich seit mehr als 30 Jahren nicht grundlegend verändert haben. Prozessverbesserungen allein können diese Designbeschränkungen nicht beheben, sodass mehrere OEMs mit kostspieligen Rückrufaktionen konfrontiert waren. Anstatt diese Probleme durch zusätzliche Systemfunktionen zu beheben, muss die Sicherheit als grundlegendes Element in den Kern der Batteriezelle integriert werden."

So entstehen Batteriebrände

Doch wie entstehen überhaupt Brände in Lithium-Batterien? Wie Springer-Autor Martin Doppelbauer im Buchkapitel Energiespeicher erklärt, "können schwere mechanische Beschädigungen, z. B. nach einem Unfall, mechanische Produktionsfehler, übermäßiges Laden (Dendritenbildung) und zu hohe Ströme zu Kurzschlüssen innerhalb der Batterie führen, die noch höhere Ströme, hohe Temperaturen und schließlich einen Brand verursachen".

Häufig sei das Wachstum von Dendriten – fingerartige Wucherungen, die allmählich beim Aufladen der Batterie an der negativen Elektrode entstehen – in den Zellen dafür verantwortlich, dass Brände in Lithium-Batterien entstünden, so 24M. Wenn diese Auswüchse die Gegenelektrode erreichen, können diese Dendriten im Zusammenspiel mit entflammbaren Elektrolyten einen Kurzschluss verursachen, wie die Uni Ulm, die zum Thema Dendritenbildung forscht, erklärt. "Dendriten sind im Laufe des Lebenszyklus einer Batterie unvermeidbar, da sie altert und Tausende von Lade-/Entladezyklen durchläuft. Sie können auch durch Überladen, Laden bei sehr niedrigen Temperaturen oder häufiges schnelles Laden/Entladen entstehen", so 24M. 

Brennende E-Autos sind schwer zu löschen

Kommt es zu einem Kurzschluss, kann dies zu einem thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) führen. Der Thermal Runaway beschreibt die exothermen Reaktionen verschiedener Bestandteile der Lithium-Ionen-Batterie untereinander, die zur Selbsterwärmung und infolgedessen zum Brand oder der Explosion der Batterie führen können, wie Springer-Autorin Freyja Galina Daragan in der Einleitung und Motivation des Buchs Thermal Runaway von Lithium-Ionen-Batterien erläutert. "Es reicht schon eine einzige überhitzte Zelle, was innerhalb von Millisekunden passieren kann. Sobald ein solches Ereignis eintritt, ist es ohne Eingreifen nicht mehr zu stoppen und es besteht die Gefahr, dass es sich auf benachbarte Zellen, die Batterie und schließlich das gesamte Fahrzeug ausbreitet", so 24M. Bei dieser Kettenreaktion spricht man von thermischer Ausbreitung (Thermal Propagation).

Brände in Elektrofahrzeugen sind schwierig zu löschen, so 24M, da sie durch interne chemische Reaktionen, die extreme Temperaturen erreichen können, weiter angefacht werden. Herkömmliche Brandbekämpfungsmethoden würden sich als unwirksam erweisen, da die Brände aufgrund der Restenergie in unbeschädigten Zellen Stunden oder sogar Tage und Wochen später wieder aufflammen können und spezielle Ausrüstung sowie längere Abkühlzeiten erforderten. Das heißt: Die Methoden der Brandbekämpfung und auch die Risiken für Unfallhelfer bei E-Autos unterscheiden sich von denen, die bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zur Anwendung kommen. Allerdings sagt Autor Doppelbauer: "Die Gefahren sind aber nicht grundsätzlich höher als bisher".

Proaktive Designs und intrinsische Batteriesicherheit

Nichtsdestotrotz ist es wichtig, vorzubeugen. Um das Brandrisiko zu verringern, verfügen Batterien daher über verschiedene Sicherheitsmaßnahmen. 24M setzt vor allem auf einen Batterieseparator. Die Separatortechnologie names Impervio soll in der Lage sein, die Bildung metallischer Dendriten zu verhindern und eine kontinuierliche Überwachung der Batteriezelle zu ermöglichen. Impervio lässt sich in herkömmliche Lithium-Ionen-, Lithium-Metall- und die proprietären LiForever-Zellen von 24M integrieren. 24M-CEO Ota betont, dass die Branche von reaktiven Maßnahmen zur Eindämmung von Bränden zu proaktiven Designs übergehen müsse, die Ausfälle verhindern, bevor sie auftreten.

Laut 24M hätten interne Tests, eine unabhängige Bewertung wird nicht erwähnt, bereits überzeugt. In einem Side-by-Side-Test mit zwei NMC/Graphit-Zellen, von denen eine mit Impervio und die andere mit einem herkömmlichen Separator ausgestattet war, seien beide Zellen auf 100 % und dann auf 100 % Überkapazität geladen worden. Bei den Zellen ohne Impervio sei es nach 15 min zu durch Dendritenwachstum verursachten Mikro-Kurzschlüssen gekommen, so 24M, die Zelle habe einen harten Kurzschluss gebildet, Feuer gefangen und sei nach 38 min explodiert. Zellen mit der Impervio-Technologie von 24M hätten hingegen nur einen vernachlässigbaren Temperaturanstieg gezeigt, wie es heißt. Es sei zu keinem Kurzschluss und keinem Brand gekommen, auch nicht nach einer Stunde Überladung.

Neben Separatoren gibt es weitere Sicherheitsvorkehrungen zur Gewährleistung der Batteriesicherheit. Dazu gehören laut Autor Doppelbauer Sicherheitsventile, thermische Sicherungen in zylindrischen Zellen oder eine Brandeindämmung durch das Akkupaket. Auch die Batterieforschung arbeitet daran, Akkus sicherer zu machen, etwa durch eine kontinuierliche Online-Überwachung von Batteriesystemen mittels künstlicher Intelligenz, eine Batteriesystembaugruppe mit Feuerlöschfunktion auf Zellebene oder ein Gel für Lithium-Ionen-Akkus, um das Auslaufen der leichtentzündlichen Elektrolytflüssigkeit zu verhindern.