Dokument-ID: 1046580

WEKA (mei) | News | 18.11.2019

Welche Sicherheitsrisiken gibt es beim Einsatz der Lithium-Ionen-Technologie in der Elektromobilität?

Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien ist nicht immer frei von Risiken. Die Aspekte der Sicherheit und Zuverlässigkeit waren auch Thema bei der diesjährigen FSE-Fachtagung.

Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ist in den letzten beiden Jahrzehnten stark vorangeschritten. Durch ihre hohe Energiedichte, Kapazität und ihr beständiges Leistungsvermögen kommen sie in vielen mobilen sowie stationären Anwendungen zum Einsatz. Doch die Anwendung dieser Technologie birgt auch Risiken in sich und macht es nötig, sich mit den Aspekten der Sicherheit und Zuverlässigkeit auseinanderzusetzen.

Fabian Reinecke, MSc (Bergische Universität Wuppertal) befasste sich beim diesjährigen Brandschutz-Highlight der FSE Ruhrhofer & Schweitzer GmbH mit den Sicherheitsrisiken von Lithium-Ionen-Batteriesystemen in der Elektromobilität.

Gefahrenpotenziale und Sicherheitsprobleme

Zu den häufigen Sicherheitsproblemen der Lithium-Ionen-Batterien gehören neben Gasfreisetzung, Rauchbildung und Leckagen auch die Flammenbildung sowie Explosionen. Im Zuge von Batterietests war es möglich, die Auswirkungen auf Fehlbehandlungen zu beobachten. Diese können in sieben Gefahrenklassen eingeteilt werden. Bis zur vierten Klasse kann eine Batterie noch als sicher eingestuft werden. Dennoch kann ein bestandener Test nicht garantieren, dass eine Batterie ungefährlich ist – dies wird auch durch vorangegangene Batterieunfälle untermauert. Zu Sicherheitsproblemen kommt es dann, wenn die Zellen der Lithium-Ionen bei einem ausreichend hohen Ladezustand überdurchschnittlich hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Zellüberhitzung und thermisches Durchgehen sind dann die Folgen.

Fehlerszenarien

Unterschiedliche Fehlerszenarien können dafür verantwortlich sein, dass sich eine Zelle auf kritische Temperaturen erwärmt. Im Vortrag von Fabian Reinecke, MSc wurde auf folgende drei Szenarien insbesondere eingegangen:

  • Elektrische Fehlerszenarien: Hierunter fallen interne sowie externe Kurzschlüsse und die Überladung bzw die Überentladung von Zellen.
  • Mechanische/Physische Fehlerszenarien: Dazu gehört ua die Beschädigung des Zellgehäuses durch Zerdrücken. Auch das Eindringen von Fremdkörpern in eine Zelle oder Stöße und Fallschäden gehören zu dieser Kategorie.
  • Umweltbedingte Fehlerszenarien: Hierunter kann beispielsweise eine Überhitzung ausgelöst durch externe Einflüsse fallen, wie dies etwa in der Folge eines Brandes vorkommt.

Überhitzung und thermisches Durchgehen als Folgen der Fehlerszenarien

Werden die Batterien in den für sie zulässigen Bereichen betrieben, gilt die Lithium-Ionen-Technologie durchaus als sicher. Doch die oben genannten Fehlerszenarien können zur Zellüberhitzung sowie zum thermischen Durchgehen führen. Dies gilt als das Schlüsselproblem in der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batteriesystemen.

Thermisches Durchgehen: eine exotherme Reaktion gerät außer Kontrolle

Thermisches Durchgehen kann ab 80 °C angeregt werden. Die Reaktionsrate innerhalb der Batterie steigt und diese heizt somit immer weiter auf. Durch den kontinuierlichen Temperaturanstieg sind schließlich Brände oder Explosionen nicht mehr auszuschließen. Der Verlauf des thermischen Durchgehens kann in drei Phasen unterteilt werden:

  1. Die Zelle beginnt zu überhitzen
  2. Es kommt zum Wärmestau und zur Gasfreisetzung
  3. Brand bzw Explosion als Folge

Alterung der Batterie

Auch die Batteriealterung hat Auswirkungen auf die Sicherheit und Zuverlässigkeit einer Lithium-Ionen-Batterie. Zu unterscheiden ist zwischen der kalendarischen und der zyklischen Alterung. Bei der kalendarischen Alterung kommt es zum Kapazitätsverlust beim Lagern. Dies kann durch die Lagerbedingungen (Temperatur und Höhe des Ladezustands) vermehrt oder verringert werden. Zur zyklischen Alterung kommt es beim Laden bzw Entladen des Akkus. Dies kann ua beeinflusst werden durch die Temperaturen in der Umgebung, die Ladezustandsdifferenz oder auch die Lade- bzw Entladespannung.

Quelle

www.fse.at