Wird solide

Jul 02, 2023

Das thermische Durchgehen und die damit verbundenen Batteriebrände stellen für Kunden, Batterieentwickler und Hersteller von Elektrofahrzeugen nachweislich ein großes Problem dar. Bei vielen Fahrzeugen kam es zu Batteriebränden und Hunderttausende wurden zurückgerufen. Obwohl diese Ereignisse selten sind, können sie sehr schwerwiegend sein, und es ist wichtig, den Menschen in und um diese Fahrzeuge größtmögliche Sicherheit zu bieten. Eine häufig gestellte Frage ist, ob die kommende Festkörperbatterietechnologie sicherer sein wird und ob dadurch die Notwendigkeit von Wärmemanagement- und Brandschutzmaterialien entfällt?

Der neue Bericht von IDTechEx „Solid-State and Polymer Batteries 2023-2033: Technology, Forecasts, Players“ befasst sich mit den Technologien, Akteuren, der Sicherheit und der Einführung von Festkörperbatterien.

Festkörperbatterien bieten auf den ersten Blick verschiedene Sicherheitsvorteile. Sie eliminieren den brennbaren flüssigen Elektrolyten und können ihn durch einen nicht brennbaren Festkörperelektrolyten ersetzen. Außerdem verfügen sie im Allgemeinen über ein breiteres Betriebstemperaturfenster, was das Auftreten eines thermischen Durchgehens durch Überhitzung der Zelle möglicherweise weniger wahrscheinlich macht. Auch die durch externe Heizungsausfälle erzeugte Wärme wird typischerweise reduziert.

Dies erzählt jedoch nicht die ganze Geschichte. Der Begriff Festkörperbatterie bezieht sich eigentlich auf eine Vielzahl von Batterietechnologien. In einigen Fällen verwendet die Batterie immer noch eine flüssige Komponente zum Ionenaustausch (halbfester Zustand), was bedeutet, dass immer noch eine flüchtige Komponente vorhanden ist. Einige Polymer-Festkörperelektrolyte sind nicht vollständig entflammbar und jeder Elektrolyt kann schmelzen, wenn das System heiß genug wird.

Im Jahr 2022 zog der Pariser ÖPNV-Betreiber nach zwei verschiedenen Busbränden vorübergehend 149 Elektrobusse zurück. Es wurde angegeben, dass die hier verwendeten Zellen Batterien mit einer LFP-Kathode, einer Li-Metallanode und einem Festkörper-Polymerelektrolyten verwenden. Der Lieferant beschreibt seine Batterien als „völlig solide, 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 Festkörperbatterie, einer Festkörperbatterie, verglichen wurde -Batterie mit flüssigem Elektrolyt in der Kathode und eine herkömmliche Li-Ionen-Batterie auf Flüssigkeitsbasis. Die Studie ergab, dass bei einem Ausfall der externen Heizung eine Festkörperbatterie mit einer kleinen Menge flüssigem Elektrolyt weniger Wärme erzeugt als eine typische Li-Ionen-Batterie, aber mehr als eine reine Festkörperbatterie. Bei einem Kurzschlussausfall hing die freigesetzte Wärme nur von der Zellkapazität ab. Da Festkörperbatterien möglicherweise eine höhere Energiedichte haben, könnte mehr Wärme erzeugt werden. Die typische Temperatur des thermischen Durchgehens, von der bei normalen Li-Ionen-Batterien die Rede ist, liegt bei etwa 1000–1200 °C; In einigen Szenarien dieser Forschung erreichte der Temperaturanstieg der Festkörperbatterien fast 1800 °C.

Die Entwicklung von Festkörperbatterien ist noch im Gange, aber die Erkenntnis ist, dass Festkörperbatterien in den meisten Fällen durchaus sicherer sein dürften. Dennoch ist kein Batteriesystem zu 100 % sicher. Daher sind Wärmemanagement- und Brandschutzmaterialien immer erforderlich, um die letzte Schicht zu bilden und die Brandausbreitung außerhalb der Packung zu verzögern.

Die Arten von Brandschutzmaterialien, die für Festkörperbatterien verwendet werden, werden denen für herkömmliche Li-Ionen-Batterien weitgehend ähneln, der Formfaktor der Zellen (zylindrisch, prismatisch, Beutel) und das Gesamtdesign des Akkus werden größer sein Einfluss auf die Materialwahl haben. Heutzutage werden für den passiven Brandschutz unter anderem Glimmerplatten, Keramikdecken, Einkapselungsschäume und feuerhemmende Beschichtungen häufig verwendet. Aerogele erfreuen sich auf dem Markt zunehmender Beliebtheit und Optionen wie intumeszierende Beschichtungen und Phasenwechselmaterialien stoßen auf zunehmendes Interesse.

Viele dieser Materialien würden Temperaturen über 1500 °C nur schwer standhalten. Dennoch besteht das Endziel 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, wie z. B. Anpassungsfähigkeit an Zellen, Kompressionsleistung und Kosten. Der schnell wachsende Markt für Elektrofahrzeuge mit einem verstärkten Fokus auf Brandschutz bietet vielfältige Möglichkeiten für Brandschutzmaterialien und wird nicht durch alternative Batterietechnologien wie Festkörperbatterien verdrängt.

Dieser Bericht wurde von Dr. James Edmondson, leitender Technologieanalyst bei IDTechEx, verfasst.