Die Entwicklung innovativer Batteriesysteme setzt verlässliche Sicherheitsprüfungen der verwendeten Lithium-Ionen-Zellen un-ter Realbedingungen voraus. An der Entwicklung verbesserter Standards, die für mehr Sicherheit, aber auch für mehr Flexibili-tät im Batteriedesign sorgen sollen, arbeitet das Karlsruher Insti-tut für Technologie (KIT) im Forschungsprojekt ProLIB nun ge-meinsam mit Prüf- und Normungsinstituten sowie mit Partnern aus der Industrie. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert diese Forschung mit mehr als 1,2 Millio-nen Euro. 

Wer sich nicht daran erinnert, wann er das letzte Mal sein Notebook von einem Nagel durchbohrt vorgefunden hat, dem sei versichert: So etwas geschieht eher selten. Trotzdem ist genau das ein heute übli-ches Vorgehen bei Sicherheitsprüfungen für Lithium-Ionen-Batterien: „Um bestimmte Tests durchzuführen, müssen die Zellen zunächst massiv misshandelt werden“, sagt Dr. Anna Smith vom Institut für An-gewandte Materialien (IAM) des KIT. „Ziel der Anstrengungen ist es,

angenommene Worst-Case-Defekte im Inneren der Zellen auszulö-sen, um deren Verlauf in der Batterie zu beobachten.“ Neben dem Durchbohren mit Nägeln sei es etwa auch üblich, Zellen extrem zu überladen oder zu überhitzen. 

Die bei solchen Methoden entstehende Diskrepanz zwischen Prüf-verfahren und einer realistischen Beanspruchung bleibt nicht folgen-los: Tatsächliche Fehlerverläufe sind nicht Gegenstand der Untersu-chung und so bleiben Herstellungsfehler von qualitativ minderwerti-gen 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“, so Smith. Ihr Team am Batterietechnikum des KIT arbeitet gemeinsam mit den Verbundpartnern AVL Deutschland GmbH, CTC advanced GmbH und TÜV Rheinland LGA Products GmbH sowie den assozi-ierten Partnern ads-tec Energy GmbH, Intilion GmbH, Jungheinrich Norderstedt AG & Co. KG, Solarwatt Innovation GmbH, VARTA Sto-rage GmbH und Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik In-formationstechnik in DIN und VDE (VDE|DKE) in dem vom Bundes-ministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit mehr als 1,2 Milli-onen Euro geförderten Forschungsprojekt „Entwicklung eines Propa-gations-Prüfverfahrens für Lithium-Ionen-Zellen in Batteriesystemen“ (ProLIB) an realitätsnäheren Sicherheitsnormen und -tests. 

Mehr Sicherheit durch realistischere Prüfverfahren 

Grundsätzlich ist die Sorge vor gefährlichen Defekten in Lithium-Io-nen-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 (eine exotherme Reaktion mit starker, sich selbst beschleunigender Wärmeentwicklung) herbeiführen, ist beson-ders 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 Wi-derstandsfähigkeit der Lithium-Ionen-Zelle gegen wirklich gefährliche Defekte, die etwa aufgrund des Zellaufbaus oder der Zellkomponen-ten je nach Hersteller stark variieren kann, steht viel zu wenig im Mit-telpunkt. Vom Thermal Runaway auszugehen ist, als würde man die Sicherheit eines Feuerzeugs ausschließlich an dessen Explosions-verhalten bemessen“, so Smith. 

Zurzeit wird weltweit an der Verbesserung von Propagationstests ge-forscht. In anderen Forschungsprojekten liegt der Schwerpunkt aller-dings darauf, einen Thermal-Runaway reproduzierbarer auszulösen (z. B. mit Lasern) – unabhängig davon, ob eine Zelle ihn in der Praxis tatsächlich eingehen würde. ProLIB ist das bislang einzige For-schungsprojekt, in dem realitätsnahe und zellspezifische Fehler er-forscht werden. Dabei soll nun ein verbessertes Testverfahren für neue Normen zu Lithium-Ionen-Batterien in stationären und mobilen Anwendungen ausgearbeitet werden, um so die bestehenden Lücken in der Normung bezüglich realistischen Bewertungskriterien für Si-cherheit 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. 

Mehr Informationen zum Batterietechnikum: https://www.batte-rietechnikum.kit.edu/ 

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