Brandschutz für E-Fahrzeuge
Wie sicher sind Festkörperbatterien wirklich?
Batteriebrände sind zwar selten, können aber sehr schwerwiegend sein. Eine häufig gestellte Frage ist, ob die kommende Festkörperbatterietechnologie sicherer sein wird und ob dadurch der Bedarf an Wärmemanagement und Brandschutzmaterialien entfällt.
Thermisches Durchgehen und die damit verbundenen Batteriebrände sind ein kritisches Problem für Kunden, Batterieentwickler und Hersteller von Elektrofahrzeugen. Doch was ändert sich durch den Einsatz von Festkörperbatterien?
Sind Solid-State-Batterien sicherer?
Auf den ersten Blick bieten Festkörperbatterien verschiedene Sicherheitsvorteile. Sie machen den entflammbaren flüssigen Elektrolyten überflüssig und können ihn durch einen nicht entflammbaren Festkörperelektrolyten ersetzen. Außerdem haben sie in der Regel ein breiteres Betriebstemperaturfenster, was das Auftreten eines thermischen Durchgehens durch Überhitzung der Zellen weniger wahrscheinlich macht. Auch die durch externe Heizungsausfälle erzeugte Wärme ist in der Regel geringer.
Doch es gibt weitere Aspekte zu bedenken. Der Begriff »Festkörperbatterie« bezieht sich auf eine Vielzahl von Batterietechnologien. In einigen Fällen verwendet die Batterie immer noch eine flüssige Komponente für den Ionenaustausch (Semi-Solid-State), das heißt es ist immer noch eine flüchtige Komponente vorhanden. Einige polymere Festkörperelektrolyte sind nicht vollständig entflammbar, und jeder Elektrolyt kann schmelzen, wenn das System heiß genug wird.
Im Jahr 2022 beispielsweise zogen die Pariser Verkehrsbetriebe 149 Elektrobusse nach zwei separaten Busbränden vorübergehend aus dem Verkehr. Bei den hier verwendeten Zellen handelt es sich den Angaben zufolge um Batterien mit einer LFP-Kathode, einer Li-Metall-Anode und einem Festkörper-Polymerelektrolyten. Der Anbieter beschreibt seine Batterien als »vollständig fest, ohne flüssige Bestandteile, ohne Nickel und ohne Kobalt«.
Ein weiteres Beispiel stammt aus einer simulationsbasierten Forschungsstudie der Sandia National Laboratories aus dem Jahr 2022 (Hewson et. al., Joule, Vol.6, Issue 4, 742-755), in der die Sicherheit einer reinen Festkörperbatterie, einer Festkörperbatterie mit flüssigem Elektrolyt in der Kathode und einer herkömmlichen Li-Ionen-Batterie auf Flüssigkeitsbasis verglichen wurde.
Die Studie ergab, dass eine Festkörperbatterie mit einem geringen Anteil an flüssigem Elektrolyt bei einem Ausfall durch externe Erwärmung weniger Wärme erzeugt als eine typische Li-Ionen-Batterie, aber mehr als eine reine Festkörperbatterie. Bei einem Kurzschluss war die freigesetzte Wärme nur von der Zellkapazität abhängig. Da Festkörperbatterien eine höhere Energiedichte haben können, könnte mehr Wärme erzeugt werden. Bei normalen Li-Ionen-Batterien spricht man von typischen thermischen Durchbruchstemperaturen von etwa 1000 bis 1200 °C. In einigen Szenarien dieser Untersuchung erreichte der Temperaturanstieg der Solid-State-Batterien fast 1800° C.
Die Entwicklung von Festkörperbatterien ist noch im Gange, aber die Schlussfolgerung ist, dass Festkörperbatterien in den meisten Fällen sicherer sein könnten. Dennoch wird kein Batteriesystem zu 100 % sicher sein. Daher werden Wärmemanagement- und Brandschutzmaterialien immer erforderlich sein, um die Ausbreitung des Feuers außerhalb des Akkus zu verzögern.
Materiallösungen für den Brandschutz
Die für Festkörperbatterien verwendeten Brandschutzmaterialien ähneln weitgehend denen, die für herkömmliche Li-Ionen-Batterien verwendet werden, wobei der Formfaktor der Zellen (zylindrisch, prismatisch, Beutel) und das Gesamtdesign des Akkus einen größeren Einfluss auf die Wahl des Materials haben werden.
Zu den heute üblicherweise verwendeten Materialien für den passiven Brandschutz gehören unter anderem Glimmerfolien, Keramikmatten, Kapselschäume und feuerhemmende Beschichtungen. Aerogele sind auf dem Markt auf dem Vormarsch, und Optionen wie intumeszierende Beschichtungen und Phasenwechselmaterialien stoßen auf zunehmendes Interesse.
Viele dieser Materialien würden mit Temperaturen über 1500 °C nur schwer zurechtkommen. Dennoch besteht das Ziel nicht unbedingt darin, die Ausbreitung vollständig zu stoppen, sondern sie so lange wie möglich zu verzögern. Neben der Hochtemperaturleistung müssen diese Materialien zunehmend auch andere Funktionen erfüllen, zum Beispiel die Anpassungsfähigkeit an die Zellen, die Kompressionsleistung und die Kosten. Der schnell wachsende Markt für Elektrofahrzeuge mit einem verstärkten Fokus auf Brandsicherheit wird eine Vielzahl von Möglichkeiten für Brandschutzmaterialien bieten, die nicht durch alternative Batterietechnologien wie Festkörperbatterien verdrängt werden.
IDTechEx-Forschungsberichte zu Festkörper-Batterien und Batterien für E-Fahrzeuge
Die hier geschilderten Erkenntnisse basieren auf zwei IDTEchEx-Berichten:
Der IDTechEx-Bericht »Festkörper- und Polymerbatterien 2023-2033: Technologie, Prognosen, Akteure« befasst sich mit den Technologien, Akteuren, der Sicherheit und der Akzeptanz von Festkörperbatterien. Er umfasst Technologie-Benchmarking und -Analyse, Markteinschätzung und -prognose, Verfolgung und Bewertung der Aktivitäten der Akteure sowie Aufbau und Sicherheit der Lieferkette.
Der Bericht »Brandschutzmaterialien für Batterien von Elektrofahrzeugen 2023-2033« befasst sich mit den Materialien, die verwendet werden, um die Ausbreitung eines thermischen Durchgehens in EV-Batteriepacks zu verhindern oder zu verzögern. Er bietet Material-Benchmarking, Marktteilnehmerübernahme, Preisgestaltung und Prognosen für verschiedene Brandschutzmaterialkategorien.
Weitere Informationen zu diesen Berichten.
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