Pfinztal. Die Sicherheit von Li-Ionen-Akkus zu verbessern, haben sich die Wissenschaftler des Fraunhofer ICT zum Ziel gemacht. Ein wichtiges Werkzeug dazu sind Sicherheitstests. Aber erst die Kombination mit einer ausgefeilten Analytik der bei Missbrauchsversuchen aus Li-Ionen-Akkus freigesetzten Gase liefert die zielführenden Detailinformationen für die Auslegung von Batteriepacks.

In zunehmendem Maße werden wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ionen) in allen Bereichen des täglichen Lebens verwendet. Findet man sie schon seit einigen Jahren in kabellosen Handwerker-Geräten wie Bohrhammer, Akkuschrauber, usw. dringen Li-Ionen-Akkus nun immer weiter in alle Bereiche vor, in denen bislang Nickel-Cadmium- (NiCd) oder Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH) verwendet werden. Auch als stationäre Energie-Zwischenspeicher gewinnen Lithium-Ionen-Akkus zunehmend an Bedeutung.

Bildbeschreibung: Batterie-Testgebäude am Fraunhofer ICT.

Bildbeschreibung: Batterie-Testgebäude am Fraunhofer ICT.

Drei Aspekte machen den Einsatz von Li-Ionen-Akkus attraktiv: 1. ihre hohe Energiedichte, 2. kein nennenswerter Memory-Effekt, 3. ihre niedrige Selbst-Entladerate.

Während die letzten beiden Punkte v. a. den Anwender freuen, ermöglicht die hohe Energiedichte erst die lange kabellose Laufzeit von Mobilfunktelefonen, Laptops und anderen elektronischen Konsumgütern, bei vergleichsweise geringen Abmessungen des Akkus. Besonders aber die Elektromobilität in Form von Elektroautos oder Elektrofahrrädern benötigt diese hohen Energiedichten, um bei minimalen Einbauvolumina der Batterie eine ausreichend hohe Reichweite zu erzielen. Gegenüber den üblichen Konsumenten-Geräten ist hier aber ein Mehrfaches an Akkuzellen in einem Batteriepack verbaut. Mit zunehmender Anzahl der Zellen steigt neben dem Ausfallrisiko vor allem das Unfallrisiko bzw. dessen Schwere.

Die Sicherheitsforschung an Li-Ionen-Zellen hat daher durch den Bereich der Elektromobilität einen besonderen Schub erfahren. In diesem Rahmen konnte am Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (Fraunhofer ICT) ein Batterie-Testgebäude errichtet werden, dass neben sehr variablen Testaufbauten für Batteriesicherheitstests im Besonderen über eine einzigartige, dedizierte Analytik der bei Sicherheitstests freigesetzten bzw. entstehenden Gase verfügt. Dadurch können z. B. wichtige Informationen zur Entwicklung und Auswahl von (Früh-)Warnsensoren erhalten werden, die den Nutzer rechtzeitig vor Gefahren wie Gasfreisetzung oder Brand von Li-Ionen-Akkus warnen können.

Dazu können die verschiedenen Stufen der Batteriesicherheit von der Zellebene über Batterie-Module bis hin zu ganzen Batteriepacks mit ihrem Batteriemanagementsystem (BMS) untersucht werden. Ebenso können vergleichende Tests durchgeführt werden, um z. B. die Fortschritte im Bereich Elektrolyt, Separator oder Elektrodenmaterialien in Bezug auf Sicherheitsaspekte aufzeigen zu können.

Schon einige renommierte Firmen haben vor Markteinführung von Li-Ionen-Akkus in ihre Produkte die Ingenieure und Wissenschaftler des Fraunhofer ICT den schlimmsten anzunehmenden Fall (worst-case) und deren Folgen testen lassen. Dies spricht für ihre besondere Verantwortung gegenüber ihrem Marktsegment: Ein einziges in Verruf geratenes – mit Li-Ionen-Akku betriebenes – Endprodukt kann das gesamte Marktsegment schädigen. Ein gutes Beispiel sind die wenigen Brände von Elektroautos, die ein weites Echo in der Presse und sogar einen Rückgang des Aktienkurses eines betroffenen Fahrzeugherstellers ausgelöst haben. Die tagtäglichen Brände von Autos mit Verbrennungsmotor hingegen werden nicht beachtet.

Dass diese Analytik nicht nur auf das Fraunhofer ICT örtlich beschränkt ist, konnte bereits bei zwei Crashtests mit Elektrofahrzeugen in Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt für Straßenwesen (bast) gezeigt werden. Durch die mobile und trotzdem sehr sensible Analytik konnte nach den Crashs “grünes Licht” für die Feuerwehr gegeben werden, da keinerlei entzündliche oder giftige Gase ausgetreten sind und in beiden Fällen die Batterie des Elektrofahrzeugs unversehrt blieb.

Da das Fraunhofer ICT selber an Batteriesystemen forscht und auch ein reger Informationsaustausch über die Batterie-Allianz der Fraunhofer Gesellschaft stattfindet, kennen die Wissenschaftler auch schon die Anforderungen an die Sicherheitstests der Batteriesysteme von morgen und übermorgen.

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