Technologie

Verbesserte Prüfverfahren für Lithium-Ionen-Zellen

16.07.2020 - Neue Standards für mehr Sicherheit und mehr Flexibilität im Batteriedesign.

Die Entwicklung innovativer Batterie­systeme setzt verlässliche Sicherheits­prüfungen der verwendeten Lithium-Ionen-Zellen unter Real­bedingungen voraus. An der Entwicklung verbesserter Standards, die für mehr Sicherheit, aber auch für mehr Flexibilität im Batterie­design sorgen sollen, arbeitet das Karlsruher Institut für Technologie im Forschungs­projekt ProLIB jetzt gemeinsam mit Prüf- und Normungs­instituten sowie mit Partnern aus der Industrie. Das Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie fördert diese Forschung mit mehr als 1,2 Millionen Euro.

Wer sich nicht daran erinnert, wann er das letzte Mal sein Notebook von einem Nagel durchbohrt vor­ge­funden hat, dem sei versichert: So etwas geschieht eher selten. Doch genau das ist ein heute übliches Vorgehen bei Sicherheits­prüfungen für Lithium-Ionen-Batterien. „Um bestimmte Tests durch­zu­führen, müssen die Zellen zunächst massiv misshandelt werden“, sagt Anna Smith vom Institut für angewandte Materialien des KIT. „Ziel der Anstrengungen ist es, angenommene Worst-Case-Defekte im Inneren der Zellen auszulösen, um deren Verlauf in der Batterie zu beobachten.“ Neben dem Durch­bohren mit Nägeln sei es etwa auch üblich, Zellen extrem zu überladen oder zu überhitzen.

Die bei solchen Methoden entstehende Diskrepanz zwischen Prüfverfahren und einer realis­tischen Beanspruchung bleibt nicht folgenlos. Tatsächliche Fehler­verläufe sind nicht Gegen­stand der Unter­suchung und so bleiben Herstellungs­fehler von qualitativ minder­wertigen Zellen und deren Risiken unerkannt, während eigentlich sichere Zellen benach­teiligt werden. „Wenn Batterie­systeme unabhängig von Ihrer Zell­qualität für realitäts­ferne Worst-Case-Szenarien ausgelegt werden, dann macht sie das nicht sicherer, sondern voluminöser, schwerer, weniger nach­haltig und auch teurer als notwendig“, so Smith. Ihr Team am Batterie­technikum des KIT arbeitet deshalb gemeinsam mit Verbund­partnern an realitäts­näheren Sicherheits­normen und -tests.

Grundsätzlich ist die Sorge vor gefährlichen Defekten in Lithium-Ionen-Zellen nicht unbegründet. So können sich Dendriten, spitze Lithium­ablagerungen, an der Anode bilden. Die Wahr­schein­lich­keit, dass diese dann Kurz­schlüsse auslösen und dann eine exotherme Reaktion mit starker, sich selbst beschleuni­gender Wärme­ent­wick­lung („Thermal Runaway“) herbei­führen, ist besonders in Zellen gegeben, die qualitativ nieder­wertige Zell­kompo­nenten beinhalten. Durch Ausbreitung dieses Fehlers auf benach­barte Zellen folgen im schlimmsten Fall eine Ketten­reaktion sowie ein Brand der Batterie. Und jede Steigerung der Energie­dichte, um beispiels­weise die Reich­weite eines voll­elektrischen Fahrzeuges zu erweitern oder die Nach­haltig­keit durch weniger Rohstoff­einsatz zu verbessern, wird durch zu grobe Test­ver­fahren erschwert. „Die Wider­stands­fähigkeit der Lithium-Ionen-Zelle gegen wirklich gefährliche Defekte, die etwa aufgrund des Zell­aufbaus oder der Zell­kompo­nenten je nach Hersteller stark variieren kann, steht viel zu wenig im Mittel­punkt. Vom Thermal Runaway auszu­gehen ist, als würde man die Sicherheit eines Feuerzeugs ausschließ­lich an dessen Explosions­verhalten bemessen“, so Smith.

Zurzeit wird weltweit an der Verbesserung von Propagations­tests geforscht. In anderen Forschungs­projekten liegt der Schwerpunkt allerdings darauf, einen Thermal Runaway reproduzier­barer auszulösen – unabhängig davon, ob eine Zelle ihn in der Praxis tatsächlich eingehen würde. ProLIB ist das bislang einzige Forschungs­projekt, in dem realitäts­nahe und zell­spezi­fische Fehler erforscht werden. Dabei soll nun ein verbessertes Test­verfahren für neue Normen zu Lithium-Ionen-Batterien in stationären und mobilen Anwendungen ausge­arbeitet werden, um so die bestehenden Lücken in der Normung bezüglich realis­tischen Bewertungs­kriterien für Sicherheit und Qualität von Lithium-Ionen-Batterien zu schließen. Die neuen Standards sollen einen faireren Wettbewerb ermöglichen, zur Senkung von Rohstoff­einsatz, Entwicklungs- und Produkt­kosten durch Vermeidung von Über­aus­legung beitragen und die Sicherheit im Betrieb von Lithium-Ionen-Batterie erhöhen.

KIT / RK

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