Wie sicher sind Natrium-Ionen-Batterien?

Natrium-Ionen-Batterien gelten als nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Doch wie sicher ist dieser Akkutyp? Eine aktuelle BAM-Studie gibt Aufschluss über die Batteriesicherheit. 

Die Forschung im Bereich neuartiger Batterietechnologien hat sich enorm beschleunigt. Gerade die Entwicklung und der Einsatz von Natrium-Ionen-Batterien (SIB) im Hinblick auf Nachhaltigkeit und potenzielle Kostenvorteile ist besonders vielversprechend. Allerdings müssen SIBs mit einer höheren Energiedichte gebaut werden, um mit den etablierten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) konkurrieren zu können. Diese Erhöhung der Energiedichte bringt wiederum neue Anforderungen an die Batteriesicherheit mit sich.

Wie sicher Natrium-Ionen-Batterien sind, hat jüngst die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) gemeinsam mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) und dem Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut (EMI) in einer Studie untersucht. Das Ergebnis: Ein holistischer Ansatz ist notwendig. Bewährte Sicherheitsmechanismen seien nicht automatisch für alle Batterietechnologien gleich wirksam, so die Forscher, sondern sollten an die chemische Zusammensetzung und das Zelldesign neuer Akkus gezielt angepasst werden.

Analyse mittels Nagelpenetrationstest

In den Untersuchungen wurde die mechanische Beschädigung eines Natrium-Ionen-Akkus durch einen sogenannten Nagelpenetrationstest simuliert. Bei diesem Test wird ein Nagel oder Metallstift durch die Batterie getrieben, um das Eindringen scharfer Gegenstände zu simulieren und ein kritisches Schadensereignis auszulösen, wie es bei Unfällen oder Kollisionen vorkommen kann, wie im Buchkapitel State-of-The-Art Reviews to Develop Lithium-ion Batteries for Electric Vehicles erklärt wird.

Ziel der Analyse war es, herauszufinden, ob der Akku dabei – ähnlich wie bei Lithium-Ionen-Batterien – in eine gefährliche thermische Reaktion gerät, bei der sich die Zelle stark erhitzt und möglicherweise entzündet oder explodiert, und ob die eingebauten Sicherheitsmechanismen greifen.

Innere Abläufe in LIBs sichtbar gemacht

Mittels Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen in einer vom Fraunhofer EMI speziell entwickelten Prüfkammer haben die Forscher an der ESRF in Grenoble erstmals die inneren Abläufe in Natrium-Ionen-Akkus während eines kritischen Ereignisses in Echtzeit sichtbar machen können.

Untersucht wurden im direkten Vergleich auch zwei andere Batterietypen mit unterschiedlichen Sicherheitsmechanismen und chemischen Eigenschaften: eine klassische Lithium-Ionen-Batterie mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode, die weit verbreitet in Elektrofahrzeugen und tragbaren Geräten ist, sowie eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Dieser Akkutyp gelte als besonders sicher und werde häufig in stationären Speichern eingesetzt, so die Forscher.

Zellchemie und Sicherheitsdesign gemeinsam betrachten

Die Ergebnisse würden laut den Wissenschaftlern deutliche Unterschiede im Verhalten zeigen: Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie habe sich als besonders stabil erwiesen. Die Lithium-Ionen-Batterie mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode habe kontrolliert reagiert – ihre Sicherheitsmechanismen hätten wie vorgesehen funktionierten. Überraschend für die Forscher sei das Verhalten der Natrium-Ionen-Batterie gewesen: Hier sei es zu einem nahezu explosionsartigen Verlauf gekommen. Ursache dafür sei jedoch nicht die Zellchemie selbst gewesen, sondern ein Versagen des Entlüftungssystem der Zelle, das eigentlich dafür sorgen soll, dass der Überdruck abgebaut wird. "Aufgrund des schnellen Druckanstiegs wurde das Entlüftungssystem jedoch von weiteren Komponenten der Sicherheitseinrichtungen verstopft, was zu der abrupten und heftigen Reaktion führte", heißt es.

"Unsere Untersuchungen zeigen, dass Sicherheitsmechanismen nicht einfach von einer Batterietechnologie auf eine andere übertragen werden können", erklärt Nils Böttcher, Leiter des Batterietestzentrums der BAM. "Gerade bei neuen Batterietypen wie Natrium-Ionen-Zellen müssen mechanische Komponenten wie Entlüftungssysteme gezielt angepasst und getestet werden. Unsere Ergebnisse stellen die grundsätzliche Sicherheit der Natrium-Ionen-Technologie nicht infrage, aber sie unterstreichen die Notwendigkeit, chemische Zusammensetzung und Sicherheitsdesign gemeinsam zu betrachten". Daher wirke die BAM aktiv an der Entwicklung von Standards und Normen im Bereich der Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien mit.

Marktanwendungen und Chancen

Natrium-Ionen-Batterien werden im Automobilsektor wahrscheinlich zunächst in "Low-speed"-Elektrofahrzeugen wie E-Bikes, Rollern und kleinen Stadtfahrzeugen zum Einsatz kommen, "wo die geringere Energiedichte durch die Kosteneinsparungen und Sicherheitsvorteile von SIBs ausgeglichen werden kann", wie die Springer-Autoren im Buchkapitel An outlook on sodium-ion battery technology toward practical application erläutern. Mit zunehmender Reife der Technologie und Verbesserung der Energiedichte könnten SIBs mit LIBs in anspruchsvolleren Anwendungen wie Personenkraftwagen und Nutzfahrzeugen konkurrieren. Weitere Marktchancen ergäben sich in den Bereichen stationäre Energiespeicher, Notstromversorgungssysteme und tragbare Elektronikgeräte.