„Hoher Aufwand für die Testdurchführung der Lithium-Ionen-Batterie“ – Saskia Wessel im Gespräch

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„Hoher Aufwand für die Testdurchführung der Lithium-Ionen-Batterie“ – Saskia Wessel im Gespräch

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Autor: Die Redaktion

Veröffentlicht am: 16.12.2019

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Safety First. Wir sprachen mit der Maschinenbauingenieurin Saskia Wessel über die Sicherheit und das Testen von Lithium-Ionen-Batterien. Frau Wessel ist aktuell als Oberingenieurin am Lehrstuhl PEM der RWTH Aachen verantwortlich für den Bereich der Batterieentwicklung und betreut bereits seit 4 Jahren das Battery Abuse Center im eLab der RWTH Aachen.
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Redaktion: Häufig wird in den Medien vor dem Gefährdungspotenzial der Lithium-Ionen-Batterie gewarnt und postuliert, dass von Elektrofahrzeugen eine größere Gefahr als von herkömmliche Verbrennungsfahrzeugen ausgeht. Wie schätzen Sie diese Gefahr ein?

Saskia Wessel: Lithium-Ionen-Batterien werden in immer mehr Elektrofahrzeugen eingesetzt. Damit steigt natürlich auch das statistische Risiko, dass ein Unfall nachweislich durch die Batterie verursacht werden kann. Es gibt auf jeden Fall ein Gefährdungspotential, welches wir nicht unterschätzen dürfen. Allerdings erachte ich die Hysterie zu diesem Thema auch nicht als konstruktiv. Meiner Meinung nach sollten wir uns der Gefährdung bewusstwerden und entsprechende Maßnahmen treffen um die Sicherheit zu gewährleisten.

Redaktion: Ist die Hysterie denn nicht zum Teil begründet? Schließlich gab es bereits einige Brände von Elektrofahrzeugen und Smartphones.

Saskia Wessel: Hysterie ist für mich an dieser Stelle der falsche Weg, denn sie führt meistens zur Panik der Kunden und die Hersteller reagieren dann mit verschönten Versprechen wie „Die Lithium-Ionen-Batterie ist zu 100% sichere Technologie!“. Wir sollten den Tatsachen in die Augen schauen und ein besseres Verständnis der Gefährdung erreichen um diese mit entsprechen Maßnahmen zu beherrschen, anstatt uns in Versprechen zu verzetteln.

Redaktion: Dann kommen wir mal zu den Tatsachen! Von welcher Gefährdung müssen wir denn bei Lithium-Ionen-Batterien ausgehen?

Saskia Wessel: Die größte Gefährdung besteht darin, dass die Lithium-Ionen-Batterie thermisch Durchgehen kann. Dies nennt man dann Thermal Runaway. Dabei kommt es zum einen zu einer unglaublich starken Gasfreisetzung, welche in einer Explosion resultieren kann, zum anderen werden durch eine exotherme Reaktion extreme Temperaturen erreicht, die letztlich zum Brand führen können.

Redaktion: Und wie kann dieser Thermal Runaway entstehen?

Saskia Wessel: Dafür gibt es sehr viele Szenarien. Letztlich bringt man eine Lithium-Ionen-Zelle durch Überladen oder durch Überhitzen in den Thermal Runaway. Dafür können einerseits äußere Bedingungen sorgen, wenn die Batterie beispielsweise einem Feuer ausgesetzt ist und dadurch überhitzt wird. Andererseits kann durch Deformation der Batterie ein innerer Kurzschluss erzeugt werden, das heißt im inneren der Batterie kommt es zum Kontakt zwischen Anode und Kathode. Dies hat dann einen sehr hohen Stromfluss zur Folge und es kommt zur Überhitzung. Neben diesen Beispielen gibt es viele weitere die den Thermal Runaway verursachen können.

Die Gefährdung hängt dann zusätzlich noch davon ab, welche Chemie in der Batterie verbaut ist und welche Kapazität in der Batterie gespeichert ist.

Redaktion: Das klingt nach einer Vielzahl von Szenarien. Wie können diese denn abgesichert werden?

Saskia Wessel: Es gibt entwicklungsbegleitend eine Vielzahl an Tests, die durchgeführt werden. Außerdem hat jede Batterie, die auf den Markt kommt einen aufwändigen Zertifizierungsprozess hinter sich, welcher die Sicherheit der Batterie auf den Prüfstand stellt.

Redaktion: Wie viele Tests müssen denn innerhalb eines Entwicklungsprozesses durchgeführt werden?

Saskia Wessel: Das ist nicht so leicht zu beantworten, da die genaue Anzahl zum Beispiel von der Anwendung oder dem Zielmarkt abhängt. Aber es werden eine Vielzahl an Tests durchgeführt. Dazu zählen natürlich auch Tests, welche die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterie validieren. Bei diesen Tests wird die Batterie allerdings immer im Wohlfühlbereich betrieben. Die Sicherheitstests dagegen fragen das Verhalten der Batterie im Abuse-Fall ab, das heißt außerhalb der Betriebsgrenzen. Diese Tests dauern im Vergleich zu Lebensdauertest, die über mehrere Monate andauern können, zwar nicht lange, allerdings sind die Sicherheitstests meist zerstörend, sodass der Prüfling anschließend nicht wiederverwendet werden kann. Außerdem sind die Prüfstände für solche Tests aufgrund des Risikos besonders kostspielig.

Redaktion: Wer kann diese Tests denn durchführen?

Saskia Wessel: Es gibt aktuell leider nur begrenzte Prüfkapazitäten für Sicherheitstests. Die Industrie ist hier bereits massiv im Ausbau, allerdings zieht sich das, sodass aktuell für einige Tests lange Vorlaufzeiten bei den Prüfständen zu berücksichtigen sind. Damit entsteht ein hoher Aufwand für die Testdurchführung der Lithium-Ionen-Batterie, der sich sowohl in den Kosten als auch in der Entwicklungszeit widerspiegelt.

Redaktion: Wenn wir davon ausgehen, dass sich die Lage der Verfügbarkeit der Prüfstände entspannt, welche Herausforderungen sehen Sie zukünftig im Themenfeld der Batteriesicherheit?

Saskia Wessel: Zukünftig stehen wir vor der Herausforderung, dass die Kapazität der Zellen deutlich ansteigen wird. Dies kann man bereits als Trend im Automobilbereich beobachten. Batteriesysteme, die vor einigen Jahren noch mit 60 Ah Zellen konfiguriert wurden, werden nun mit Zellen mit einer Kapazität von 120 Ah oder mehr aufgebaut. Durch die hohe Kapazität geht im Falle eines Thermal Runaways dann ein deutlich höheres Sicherheitsrisiko aus. Dies hat natürlich einen Einfluss auf das Gesamtsystem sowie die Prüfstände, welche aktuell dafür häufig noch nicht ausgelegt sind. Darüber hinaus wird die thermische Ausbreitung des Thermal Runaways auf die benachbarten Zellen meiner Meinung nach eine stärkere Gewichtung innerhalb der Entwicklung und dem Testen der Batterie einnehmen. Das heißt man wird durch entsprechende Konstruktion und Materialien das Ausbreiten des Thermal Runaways auf die Nachbarzellen verhindern. Die Validierung dieser Anforderung muss sich dann natürlich auch in der Normenlage wiederfinden.

Redaktion: Was möchten Sie unseren Lesern noch als Denkanstoß mitgeben?

Saskia Wessel: Nicht die Augen zu verschließen, sondern ein tiefes Verständnis vom Thermal Runaway zu erlangen, welcher dann gegebenenfalls auch simulativ für alle Zellchemien und Systemkonfigurationen auf elektrischer, chemischer, thermischer und mechanischer Ebene beschrieben werden kann. Das wäre eine Erleichterung für den Entwicklungsprozess und für die Auslegung der Prüfstände.
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