Innovationen für die Zukunft: Die Entwicklung sicherer Batterien für Elektrofahrzeuge

Immer leistungsfähigere Batteriesysteme erfordern auch neue Ansätze, um die Sicherheit und Lebensdauer von Akkus zu verbessern. Doch was sind die wichtigsten Maßnahmen, die ein Hersteller ergreifen kann? Wir stellen sie hier aus Sicht eines Batterieproduzenten vor.

Das thermische Durchgehen von Batteriezellen in einem Batteriesystem, auch als Thermal Runaway (TR) bezeichnet, ist praktisch der größte anzunehmende Batterieunfall. TR beschreibt eine Kettenreaktion, bei der die Zelltemperatur rapide auf bis zu 1.300°C ansteigt. Ursachen können mechanische Beschädigung, interne Zellschädigung oder Überhitzung sein.

Die Folgen sind schwerwiegend: Heißes Gas und glühende Partikel bilden sich im Inneren des Batteriepacks, gegebenenfalls sorgt Feuer für einen Temperaturanstieg auch in anderen Zellen und Bauteilen. Falls sich dieses thermische Ereignis des TR auf benachbarte Zellen ausbreitet, spricht man von thermischer Propagation (TP).

Um das Risiko solch einer ungewollten Reaktion einzudämmen, gibt es verschiedene Maßnahmen, wie zum Beispiel die Nutzung weniger reaktiver Chemie (Lithium-Eisenphosphat) oder bei einer potenteren Chemie wie Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (NMC811) eine entsprechende Auslegung.

Farasis Energy fertigt inzwischen Zellen mit sehr hohen Energiedichten bis zu 330 Wh/kg. Bild Nr. 1 zeigt, wo die Farasis-Energy-Zellen P73 und P79 im Vergleich mit der Konkurrenz stehen. Die Übersicht der Firma Batemo, die Zellen testet und Modellentwicklung betreibt, ordnet verschiedene Zellformate anhand ihrer gravimetrischen Energie- und Leistungsdichte ein. Pouchzellen von Farasis Energy erzielen dabei im Vergleich zu anderen Zellen sehr hohe gravimetrische Energiedichten und liegen deutlich vor dem Wettbewerb.  

Hohe Energiedichten führen jedoch automatisch zu einer stärkeren Reaktion bei TR und sind automatisch eine größere Herausforderung bei TP. Farasis Energy hat es jedoch geschafft, ein Modul mit diesen Zellen zu entwickeln, das TP bereits nach zwei Zellen stoppt – aber nach wie vor eine Energiedichte von bis zu 250 Wh/kg auf Modulebene (System) erzielt.

Diese Entwicklung wird mit Hilfe von virtuellen Prototypen getrieben und über Tests abgesichert. In diesen Test wird eine einzelne Zelle beispielsweise von einem Nagel beschädigt, überladen oder unter kontrollierten Bedingungen bis zum TR erhitzt. Dies ermöglicht, die Wirksamkeit verschiedener Maßnahmen sicherzustellen. Diese Maßnahmen setzen sich in der Regel aus einer Optimierung des Entgasungspfades sowie der Isolation der Zellen untereinander zusammen. Ein Beispiel einer Simulation der Entgasung sieht man in Bild 2.

Die aktuelle Gesetzgebung schreibt hierbei eine Vorwarnzeit der Insassen von 5 Minuten vor (z.B. ECE R100 rev3). In dieser Zeitspanne müssen sie vor einer bedrohlichen Situation gewarnt werden und die Möglichkeit haben, das Fahrzeug sicher zu verlassen. Neben den physikalischen Methoden wie dem Unterdrücken von TP hilft dabei auch die Software. Ein firmeneigener Algorithmus von Farasis Energy gewährleistet hier die Früherkennung eines solchen Ereignisses. Das bedeutet das die Insassen rechtzeitig gewarnt werden und das Fahrzeug sicher verlassen können. 

Ein weiterer Sicherheitsaspekt ist das Betriebsfenster der Zellen, welches durch das Batteriemanagementsystem (BMS) eingehalten wird. Dabei werden die abgegebene oder aufgenommene Leistung bei verschiedenen Temperaturen und Ladezuständen überwacht und reguliert. Dies verhindert Schäden an der Zelle wie zum Beispiel Lithium-Plating beim Laden, bei Überhitzung oder Überspannung und sorgt für einen sicheren Betrieb und Erfüllung der Anforderungen an die Lebensdauer.

Die Sicherheit des Batteriesystems ist über die gesamte Lebensdauer unabdingbar. Farasis Energy führt deshalb Alterungssimulationen und Tests durch und entwickelt für seine Produkte Algorithmen zur Vorhersage der Alterung. Damit kann man das realistische Verhalten unter verschiedenen Umgebungsbedingungen sowie Fahr- und Ladeprofilen über einen Zeitraum von bis zu 15 Jahren und mehr prognostizieren. Grundlage ist eine umfangreiche Datensammlung aller weltweit durchgeführten Tests. Neben TP, elektrischen und thermischen Aspekten ist die mechanische Integrität des Batteriesystems zentral für die Sicherheit der Batteriesysteme. Diese wird sowohl durch kontinuierliche Simulation diverser Lastfälle in der Entwicklung (z.B. Crashsimulationen) als auch durch strenge mechanische Tests sichergestellt. Die mechanischen Lastfälle enthalten verschiedene Szenarien, unter anderem Zerquetschen, Schocktest mit plötzlichen Stößen und Vibrationstests.
Um die Sicherheit von Elektrofahrzeugen weiter zu verbessern, entwickelte Farasis Energy ein sogenanntes “Flipped Pack”-Design. Bei diesem Konzept befindet sich die Kühlplatte auf der oberen Seite des Batteriepacks und ist somit vor Steinschlag und äußeren Einflüssen besser geschützt. Im Falle eines TR, kann die Zelle nach unten zur Straße hin entlüftet werden und so die Insassen des Fahrzeugs schützen.

Fazit: Die fortschreitende Elektromobilität erfordert kontinuierliche Verbesserungen in der Batterietechnologie, um Sicherheit und Leistung zu gewährleisten. Farasis Energy demonstriert durch seine Forschungsansätze und Sicherheitsmaßnahmen einen wegweisenden Beitrag zur Entwicklung zuverlässiger Batteriesysteme für die Zukunft. Grundsätzlich gilt jedoch, dass bereits heute Elektroautos gleich sicher und in einigen Bereichen sogar sicherer sind als Verbrenner. So brennen Elektroautos bereits heute 10–100-mal seltener als Verbrenner. So geraten laut einer Statistik des amerikanischen Versicherungsunternehmens AutoinsuranceEZ 1,53 % aller Benziner über Lebensdauer in Brand, jedoch nur 0,025 % der Elektroautos.  Neue Technologien wie das von Farasis entwickelte stoppen von TP dürften das in Zukunft nochmal deutlich reduzieren.