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TechnikWie unfallsicher sind Lithium-Ionen-Akkus?

Batte­rien unter Beschuss

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

Wissenschaftler der Technischen Universität Graz untersuchen, wie sich Batterien von Elektroautos unter Crashbelas­tungen verhalten und welchen Einfluss das Vorleben einer Batterie auf ihre Sicherheit hat.

17. Oktober 2017

Autos brennen nach Verkehrs­un­fällen seltener als gemeinhin angenommen: nach Angaben des Gesamtver­band der Deutschen Versiche­rungs­wirt­schaft (GDV) sind das jährlich rund 15.000 Fahrzeuge. Vergleicht man diese Zahl mit den 2,6 Millionen polizeilich erfassten Unfällen in Deutschland aus dem Jahr 2016, ergibt das eine Quote von 0,6 Prozent.

Geht allerdings ein elektroge­trie­bener Tesla irgendwo in Flammen auf, brennt es unverzüg­lich auch an der Börse, und der Aktienkurs löst sich in Rauch auf. Zugegeben, bei der aktuell sehr geringen Fahrzeug­dichte von E-Autos sticht so ein Brandunfall aus der Verkehrs­un­fall­sta­tistik wie eine lodernde Flamme heraus. Aber deshalb gleich in Panik geraten und die Wertpapiere mit ins Feuer werfen? Brennende Fragen an den "SafeBattery"-Projektleiter der TU Graz, Professor Wolfgang Sinz, zur Brandgefähr­lich­keit von Elektrofahr­zeugen, und wie man möglichen Batterie­be­schä­di­gungen auf die Spur kommt.

Zentrales Sicherheits­kon­zept

Herr Professor Sinz, wie feuersicher sind Elektromo­bile?

Sinz: Ein Elektroauto ist im Allgemeinen per se nicht gefährli­cher als ein Fahrzeug mit Benzinmotor. Eine entsprechend ausgelegte Batterie wird weder von allein noch beim Laden in Flammen aufgehen.

Sind die Sicherheits­maß­nahmen der Hersteller aus Ihrer Sicht ausreichend?

Sinz: Ja, die Automobil­un­ter­nehmen schützen ihre Batterie­kom­po­nenten sogar mehr als notwendig, um auf alle Fälle auf der sicheren Seite zu sein. Die Energiespei­cher sitzen zentral, weit außerhalb der potenziellen Knautsch­zone, um so vor Deformationen und mechanischen Schädigungen bestmöglich geschützt zu sein. Solche selbstauf­er­legten Restriktionen schränken natürlich zum einen die Designmög­lich­keiten für das Gesamtfahr­zeug ein, zum anderen die Integration weiterer Batterien, um die Reichweite zu erhöhen. Ein Grund für diese Vorgehens­weise ist, dass das Verhalten der Batterie­kom­po­nenten unter Crashbelas­tungen in vielen Bereichen noch zu wenig erforscht wurde.

Dort setzt Ihr Forschungs­vor­haben an?

Sinz: In unserem auf vier Jahre angelegten wissenschaft­li­chen Projekt wollen wir, also die TU Graz und Industrie­partner, das mechanische, elektroche­mi­sche und chemisch-thermody­na­mi­sche Verhalten von bereits genutzten Einzelzellen sowie Einzelmo­dulen unter Crashbelas­tungen untersuchen. Gegenwär­tige Forschungen beschränken sich dabei meist nur auf das Verhalten neuer Fahrzeug­trak­ti­ons­bat­te­rien, ohne den möglichen Einfluss von Vorbelas­tungen, etwa durch Alterung, zu berücksich­tigen.

Gezielter Blick aufs Detail

Nach welchen Indizien suchen Sie?

Sinz: Wir betrachten nicht nur das Gesamtpaket. Uns interessiert beispiels­weise auch ein möglicher kurzzeitiger Spannungs­ab­fall von einzelnen Zellen. Oder: Welche Folgen haben unterschied­liche Schäden von Einzelzellen auf den Gesamtbe­trieb der Batterie? Wir wollen bewusst die Grenzen der Batterie­zellen ausloten, um in Folge Parameter zu definieren, die dazu genutzt werden, dass diese Grenzen in der Praxis niemals überschritten werden. Wir haben eine Reihe von Einfluss­pa­ra­me­tern und müssen das Mosaik in seine Einzelteile zerlegen und untersuchen. Erst dann können wir spezifische Empfehlungen zu Bau, Integration und Betrieb der Batterien abgeben.

Klingt nach Puzzle-Arbeit. Wo lauern die größten Schwierig­keiten?

Sinz: Die große Herausfor­de­rung für uns ist zunächst, geeignete Testverfahren zu entwickeln, die reproduzier­bare Versuchs­ver­hält­nisse ermöglichen. Mit diesen können wir die Defekte eindeutig lokalisieren, und sie dann auch ihren Verursachern zuordnen. Wir können in der instituts­ei­genen Crashtest­halle dazu auf eigens entwickelte Prüfstände mit maßgeschnei­derter Mess- und Sensortech­no­logie zurückgreifen, mit denen wir verschie­dene Crash-Szenarien für Batterien und deren Komponenten abbilden können. Das ist ein weltweit einmaliger Versuchs­aufbau, der qualitativ hochwertige Messdaten und Erkenntnisse über die hochkomplexen Vorgänge, die meist nur wenige Millisekunden dauern, liefern soll.

Experimen­tieren Sie mit geladenen oder ungeladenen Akkus?

Sinz: Wir testen meist an ungeladenen Batterien, weil sie sich im Test ähnlich verhalten wie geladene. Außerdem kann man die Unfallde­fekte deutlich einfacher analysieren. Einen geladenen Akku zu zerlegen ist nicht so einfach und schon gar nicht ungefähr­lich.

Simulierte Realitäten

Verlassen Sie sich nur auf reale Experimente?

Sinz: Das würde unserem wissenschaft­li­chen Anspruch nicht genügen. Deshalb entwickeln wir auch numerische Berechnungs­ver­fahren und Simulationen, um die multiphy­si­ka­li­schen Vorgänge besser zu verstehen. Sie sollen ein umfassendes Wissen über das Verhalten von Traktions­bat­te­rien unter Crashbelas­tungen liefern, das als Basis genutzt werden kann, um Antriebs­bat­te­rien noch optimaler in das jeweilige Fahrzeug­kon­zept sicher zu integrieren.

Lassen sich daraus noch andere Schlüsse ziehen?

Sinz: Mit diesem Wissen lassen sich kritische Zustände von Batterien schon in der Entwicklung, aber auch im Betrieb frühzeitig besser erkennen und vermeiden. Mit dem Institut für Chemische Technologie von Materialien führen wir zudem Untersuchungen nicht nur an State-of-the-Art Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigem Elektrolyten durch, sondern beziehen auch die nächste Generation an Lithium-Batterien mit All Solid State Elektrolyten mit ein. Hier interessiert uns, ob die kommende Generation an Antriebs­bat­te­rien einige Mankos der derzeitigen Systeme gar nicht mehr aufweist oder vielleicht andere sicherheits­re­le­vante Schwachstellen mit sich bringt.