Festkörperbatterien: Wird Brandschutz für Elektrofahrzeuge überflüssig?

17.5.2023 Eigentlich sind Brände von Elektroautos äußerst selten- aber in Zukunft dürften sie überhaupt der Vergangenheit angehören.

Wenn es zu Batteriebrände kommt, dann sind diese nachweislich ein Problem, weil sie nicht so einfach wie andere Brände gelöscht werden könnten. Obwohl diese Ereignisse äußerst selten sind, können sie schwerwiegend sein, und daher ist es wichtig, den Menschen in und um diese Fahrzeuge größte Sicherheit zu bieten. Nun stellt sich die Frage, ob die kommende Festkörperbatterietechnologie sicherer sein wird und ob dadurch die Notwendigkeit von Wärmemanagement- und Brandschutzmaterialien entfällt?

Der 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. Ein weiterer Bericht „Fire Protection Materials for Electric Vehicle Batteries 2023-2033“ befasst sich mit den Materialien, die verwendet werden, um die Ausbreitung von thermischem Durchgehen in Batteriepaketen von Elektrofahrzeugen zu verhindern oder zu verzögern.

Sind Festkörperbatterien sicherer?

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 weniger wahrscheinlich macht. Auch die durch externe Heizungsausfälle erzeugte Wärme wird typischerweise reduziert.

Dies erzählt aber noch 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 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 Feststoffbatterie, 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 Erwärmung 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 war die freigesetzte Wärme nur von der Zellkapazität abhängig. 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 - kein Batteriesystem ist zu 100 % sicher. Daher sind Wärmemanagement- und Brandschutzmaterialien immer erforderlich, um die letzte Schicht zu bilden und die Brandausbreitung außerhalb des Batterypackage zu verzögern.

Lösungen für Brandschutzmaterialien

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 und Einfluss auf die Materialwahl haben. Heute 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.


Quelle:
Der Bericht von IDTechEx „Solid-State and Polymer Batteries 2023-2033: Technology, Forecasts, Players“ bietet Technologie-Benchmarking und -Analyse, Markteinschätzung und -prognose, Verfolgung und Bewertung von Playern und deren Aktivitäten sowie Aufbau und Sicherheit der Lieferkette. Der IDTechEx Bericht „Fire Protection Materials for Electric Vehicle Batteries 2023-2033“ bietet Material-Benchmarking, Einblick in Marktplayerakzeptanz, Preise und Prognosen für verschiedene Kategorien von Brandschutzmaterialien.

PS: Eine Untersuchung von Daten aus Schweden hat erst vor kurzem aufgezeigt: Autos mit Benzin- oder Diesel-Antrieb brenn etwa 19-mal [1900 %] häufiger als Elektroautos. Zusätzlich ist die Zahl der Brände von Elektrofahrzeugen den letzten drei Jahren mit etwa 20 pro Jahr konstant geblieben, obwohl sich die Zahl der E-Fahrzeuge in Schweden mit 611.000 Stück fast verdoppelt hat, was zeigt, dass neuere Batterietechnologie per se weniger brennen dürfte.