15. 06. 2023
Verfasst von: Ralf Benger

Sicherer Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien

Im Labor treten aus einer Batteriezelle Funken und eine Stichflamme. — Bei unsachgemäßer Nutzung oder bei Produktionsfehlern können Lithium-Ionen-Batterien in Brand geraten. Das ist zwar selten, aber nicht ausgeschlossen. Ein Forschungsteam der TU Clausthal entwickelt Maßnahmen, um die Sicherheit zu erhöhen.

Als Energiespeicher sind Lithium-Ionen-Batterien derzeit für viele Anwendungen konkurrenzlos. Jedoch bieten Fehlanwendungen, mechanische Überbeanspruchung, Alterung oder Produktionsfehler immer ein Restrisiko für Rauchbildung, Brand oder Explosion. Das Forschungszentrum Energiespeichertechnologien der Technischen Universität Clausthal untersucht die Risiken und Auswirkungen und entwickelt technische Maßnahmen, die die Sicherheit dieser Batterien erhöhen.

Temperatur kontrollieren, Risiko minimieren

Lithium-Ionen-Batterien bieten selbst mit konstruktiven Anpassungen oder neuen Materialkombinationen keine hundertprozentige Sicherheit, sie lassen sich nur in einem bestimmten Betriebsfenster sicher nutzen. Wie eine Batteriezelle im Fehlerfall reagiert, mit Erwärmung, Gas-, Rauch- und Flammenbildung oder Explosion, ist von verschiedenen Faktoren abhängig: etwa von den eingesetzten Materialien, der Bauform, dem Ladezustand, den Umgebungsbedingungen sowie von Fehlerart, -dauer und -schweregrad. Deshalb führt das Forschungszentrum Energiespeichertechnologien der TU Clausthal im Projekt RiskBatt aufwendige Versuche mit zeitlich aufgelöster Gasmessung durch, um Risiken und Auswirkungen besser einschätzen zu können.

Die Grafik veranschaulicht Temperaturentwicklung und verschiedene Risiken. — Das Forscherteam nimmt Lithium-Ionen-Batterien genau unter die Lupe, um das Verhalten im Fehlerfall zu verstehen und eine Risikoeinschätzung vorzunehmen.

Temperatur und Gaskonzentration verringern

Die Forschenden bringen die Lithium-Ionen-Batterien in eine gezielte Überhitzung (Thermal Runaway), was zu hoher Druck- und Temperaturentwicklung und der Freisetzung toxischer, explosionsfähiger und brennbarer Gase führt. Durch Funken oder bei Überschreiten von Temperatur- und Konzentrationsgrenzen kann eine Entzündung oder auch eine spontane Explosion erfolgen. Hier setzt das Projekt VentBatt an: Die Forschenden minimieren beziehungsweise vermeiden einen Thermal Runaway, indem sie die Temperatur und Konzentration der ausströmenden Gase unter die Grenzwerte reduzieren, bei denen eine Selbstentzündung oder spontane Gasexplosion erfolgen kann.

Versuchsaufbau mit Batterie und Diagramm, das Energiezufuhr und Temperaturentwicklung zeigt. — Durch eine gezielte Druckentlastung ist es den Forschenden gelungen, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien deutlich zu erhöhen. Es muss viel mehr Energie zugeführt werden (hellblaue Linie), um die Zelle in eine Havarie zu bringen, und die Auswirkungen in Form von Brandverlauf und -temperatur sind deutlich harmloser.

Das Forschungsteam entwickelt Maßnahmen, die durch ein kontrolliertes Gas- und Thermomanagement die Sicherheit dieser Batterien erhöhen, zum Beispiel:

gezielte Druckentlastung durch Ventile
Nutzung von Partikelschäumen, die Temperatur und Konzentration der brennbaren Gase unterhalb der Brand- und Explosionsgrenzen verringern
optimiertes Design eines Batteriesystems einschließlich Gehäuse und Strömungsführung.