Lithium-Ionen-Akkus für Elektrofahrzeuge Gnadenlose Prüftortur

Trotz Prüfung abgebrannt: Ein Cheverolet Volt.
Trotz Prüfung abgebrannt: Ein Cheverolet Volt.

Bevor Akkus in sicherheitskritischen Applikationen wie Autos oder Flugzeugen verbaut werden, müssen sie auf Herz und Nieren geprüft werden. In speziellen Testlaboren werden Lithium-Ionen-Akkus an ihre Grenzen gebracht.

Je höher die Energiedichte bei Akkus, desto größer die Gefahr im Falle eines technischen Defekts. Für die Lithium-Ionen-Typen sind deshalb weitaus strengere Prüfmethoden notwendig als für alle anderen, insbesondere für solche, die in Autos und Flugzeugen zum Einsatz kommen sollen. In speziell dafür ausgestatteten Testzentren werden alle denkbaren Szenarien bis zu hin Explosionen durchgespielt.

Der Fall „Dreamliner“ mit in Brand geratenen Lithium-Ionen-Akkus ist nicht vergessen. Die Folgeschäden durch den völlig durcheinander gebrachten Entwicklungszeitplan des ganzen Flugzeugs waren bekanntlich fatal. Um solche Pannen in Zukunft wirksam zu verhindern, müssen die Akkus heute vor der Zulassung härteste Tests über sich ergehen lassen. In erster Linie sind es die Anwender, die nach höchster Sicherheit verlangen. Die Batterie darf nicht von selbst ausfallen, und bei schädigenden Einflüssen von außen muss ihr Verhalten im voraus bekannt und beherrschbar sein. Zweitens muss aber auch die Umwelt vor eventuellen Schädigungen geschützt werden. So müssen etwa Feuerwehrleute in Zukunft für das Löschen von Batteriebränden speziell geschult werden. Eine Batterie kann man prinzipbedingt nicht abschalten, sondern nur von der Umgebung elektrisch trennen sowie kühlen.

Aber nicht nur die Sicherheit wird geprüft, auch das Verhalten bei Alterung, d.h. wie die Kapazität und die entnehmbare Leistung im Laufe der Betriebsdauer abnehmen. Man will Voraussagen über die noch verbleibende Lebensdauer treffen können. Das wird wichtig, wenn einmal ein Markt für gebrauchte Elektroautos aufkommt, weil hier der Wert des Fahrzeugs entscheidend vom Zustand der Batterie abhängt. Außerdem auch bei „Second Life“-Anwendungen: Eine Batterie, die im Elektroauto ausgedient hat, weil ihre Kapazität zu sehr abgesunken ist, kann danach meistens noch als Speicher für das Stromnetz weiter arbeiten.

Je nach Anwendungsfeld fallen die Untersuchungen unterschiedlich aus. Den größten Stress müssen Batterien für Elektroautos über sich ergehen lassen, weil sie bei Unfällen stark beschädigt werden können. Denkbar ist hier z.B. ein Kurzschluss zwischen Anschlusskabeln oder in der Elektronik, oder auch mechanische Zerstörung. Was in solchen Fällen abläuft, muss im Labor untersucht werden, bevor es auf der Straße tatsächlich passiert. Das heißt, der Totalkurzschluss wird wirklich hergestellt, und die Batterie wird gequetscht oder aus größerer Höhe auf einen harten Boden fallen gelassen. Mehr noch: Wenn ein Benzinauto einen Unfall hat, läuft häufig Benzin auf die Straße und gerät in Brand. Auf deutschen Straßen passiert das jedes Jahr rund 15.000 Mal. Wie verhält sich die Batterie, wenn sie auf diese Weise von außen her überhitzt wird? Wie lange dauert es, bis sie selbst zu brennen anfängt? Der Energieinhalt ist im Brandfall rund zehnmal höher als die elektrisch nutzbare Energie. Eine Zelle vom Typ 18650 mit 3400 mAh enthält rund 125 Wh, entsprechend dem Energieinhalt von 13 ml Benzin.

Bei stationären Speichern für das Stromnetz sind die Testmethoden weniger streng; hier ist mechanische Zerstörung durch äußere Gewalteinwirkung extrem unwahrscheinlich. Das Gleiche gilt für unterbrechungsfreie Stromversorgungen und mobile Geräte (Handys, Notebooks, am Körper getragene medizinische Diagnosegeräte, Bohrmaschinen usw.). Der TÜV Süd hat für Batterietests eine eigene Tochtergesellschaft gegründet, die TÜV Süd Battery Testing GmbH [1] in Garching nördlich von München. Um herauszufinden, wo die Grenzen einer Batterie wirklich liegen, werden diese hier gezielt überschritten und untersucht, was tatsächlich passiert bei

  • Überstrom,
  • Totalkurzschluss,
  • Kurzschluss einzelner Zellen,
  • Überspannung,
  • Überladung,
  • Tiefentladung,
  • Übertemperatur,
  • schnellen Temperaturänderungen oder häufigen Temperaturzyklen,
  • starken Vibrationen,
  • Alterung,
  • stark vermindertem Luftdruck (im Flugzeug),
  • Feuer von außen,
  • Brand der Batterie selbst,
  • Austritt von Gasen oder Kohlenstaub (Verpuffungsgefahr),
  • Eindringen von Wasser in die Batterie oder in die Elektronik,
  • Eindringen von korrosiven Medien (z.B. Streusalz),
  • mechanischer Zerstörung (Quetschen, Nagel Durchstoßen),
  • Defekt oder Beschädigung des Batteriemanagementsystems,
  • Fehler in der Software.

All das wird in Garching eingehend untersucht.