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TechnikWie unfallsicher sind Lithium-Ionen-Akkus?

Batterien unter Beschuss

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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.