Li-Ionen-Zellen unter Realbedingungen Prüfverfahren für sichere Batteriesysteme optimieren

Die am KIT entwickelte temperierbare und mit Sensorik ausgestattete Sicherheitseinhausung für das Prüfen von Lithium-Ionen-Zellen unter kritischen Bedingungen.
Die am KIT entwickelte temperierbare und mit Sensorik ausgestattete Sicherheitseinhausung für das Prüfen von Lithium-Ionen-Zellen unter kritischen Bedingungen.

Die Entwicklung neuer Batteriesysteme bedingt verlässliche Sicherheitsprüfungen der Lithium-Ionen-Zellen unter Realbedingungen. Das Forschungsprojekt ProLIB fokussiert sich auf Standards, die für mehr Sicherheit, aber auch für mehr Flexibilität im Batterie-Design sorgen sollen.

»Um bestimmte Tests durchzuführen, müssen die Zellen zunächst massiv misshandelt werden«, erklärt Dr. Anna Smith vom Institut für Angewandte Materialien (IAM) des KIT. »Ziel der Anstrengungen ist es, angenommene Worst-Case-Defekte im Inneren der Zellen auszulösen, um deren Verlauf in der Batterie zu beobachten.« So ist es zum Beispiel üblich, Batteriezellen mit Nägeln zudurchbohren, sie 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«, erläutert Smith. Ihr Team am Batterietechnikum des KIT arbeitet gemeinsam mit den Verbundpartnern AVL Deutschland, CTC advanced und TÜV Rheinland LGA Products sowie den assoziierten Partnern ads-tec Energy, Intilion, Jungheinrich Norderstedt, Solarwatt Innovation, Varta Storage und VDE|DKE in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit mehr als 1,2 Millionen Euro geförderten Forschungsprojekt »Entwicklung eines Propagations-Prüfverfahrens für Lithium-Ionen-Zellen in Batteriesystemen« (ProLIB) an realitätsnäheren Sicherheitsnormen und -tests.

Die Sicherheit erhöhen

Grundsätzlich ist die Sorge vor gefährlichen Defekten in Lithium-Ionen-Zellen nicht unbegründet: So können sich Dendriten, also spitze Lithiumablagerungen, an der Anode bilden. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese dann Kurzschlüsse auslösen, und somit letztendlich auch einen Thermal Runaway herbeiführen, ist besonders in Zellen gegeben, die qualitativ niederwertige Zellkomponenten beinhalten. Durch Ausbreitung dieses Fehlers auf benachbarte Zellen (Propagation) 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, zum Beispiel – unabhängig davon, ob eine Zelle ihn in der Praxis tatsächlich eingehen würde. ProLIB hingegen fokussiert sich auf die Erforschung realitätsnaher und zellspezifischer Fehler. Dabei soll nun ein verbessertes Testverfahren für neue Normen zu Lithium-Ionen-Batterien in mobilen und stationären 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.