Batteriebrände verstehen

Auch als die genauen Umstände des Ende Juli 2023 brennenden Schiffes in der Nordsee noch gar nicht geklärt waren, dominierten schon Informationen und Fotos von einer entfachten Batterie aus einem von 25 E-Autos, die sich unter 2.975 Verbrenner an Bord befinden. Eine der Batterien eines Elektroautos wurde als Brandursache deklariert. Grundsätzlich sind Batteriebrände extrem selten. Laut diverser Untersuchungen fingen E-Fahrzeuge weit weniger oft Feuer als Verbrenner-PKW, und sie würden auch nicht heftiger brennen als diese. Fakt ist jedoch, dass sich das Löschen von Batterien aufgrund ihrer technischen Beschaffenheit als Herausforderung gestaltet. Generell ist es eine Mammutaufgabe, Brände auf Schiffen zu löschen. Dieses generelle Problem steht aber nicht im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen wie auch der jüngste Vorfall in New Jersey bewies. Das Tätigkeitsfeld und Forschungsgebiet von TWAICE fokussiert sich auf Batterieanalytik, daher möchte ich heute einen Blick auf mögliche Ursachen von Batteriebränden und Gegen- und Präventivmaßnahmen richten.

Die Hauptursachen für Batteriebrände

Spricht man über Batteriebrände, kann man hauptsächlich zwei Bereiche orten: Die Batterie selbst und äußere Umstände. Ein Mangel an der Batterie, der zu einem unsicheren Betrieb führen könnte, wäre beispielsweise eine Fehlfunktion des Batterie-Management-Systems, die zu einem Überladen der Batterie führen könnte. Dies verursacht übermäßige Hitze im Inneren der Batterie. Die Wärmeentwicklung kann weitere Reaktionen auslösen, die letztlich einen internen Kurzschluss verursachen können. Generell kann eine Nutzung im Grenzbereich den Gesundheitszustand der Batterie im Laufe der Zeit verschlechtern und zu einer Schwellung der Batterie führen, wodurch sie anfälliger für Brände würde. Auch Herstellungsfehler oder mangelhafte Qualitätskontrolle ebenso wie physische Schäden an der Batterie wie z. B. Einstiche, Quetschungen oder ständiger Druck auf das Batteriegehäuse könnten zu internen Kurzschlüssen und Batteriebränden führen – die Wahrscheinlichkeit solcher Risiken ist jedoch extrem gering. Die wenigsten Sicherheitsvorfälle sind auf die Batterie selbst zurückzuführen.

Es gibt viele Faktoren rund um eine Batterie, die versagen können. Hier handelt es sich um den “äußeren Risikobereich”. Um hier nur ein Beispiel zu nennen ist das Kühlsystem eines Elektrofahrzeugs oder eines Energiespeichersystems darauf ausgelegt, den optimalen Temperaturbereich der Batterie – in der Regel zwischen 20 und 40 °C – aufrechtzuerhalten. Ein Überschreiten der sicheren Betriebstemperatur (über einen längeren Zeitraum) aufgrund eines Ausfalls des Kühlsystems kann zu beschleunigter Alterung, könnte aber auch zu einem Brand führen. Auch Kabelbrände können eine Ursache sein, denn wenn Kabel innerhalb einer Batterie beschädigt werden, zum Beispiel durch mechanische Beanspruchung, durch extremen Fahrzeugbetrieb oder unsachgemäße Wartung, führt dies zur Überhitzung der Kabel, die schließlich einen Brand auslösen können.

Sinnvolle Präventivstrategien

Ganz genauso wie bei herkömmlichen Verbrennerfahrzeugen ist die wirksamste Strategie gegen Brände von Elektrofahrzeugen eine möglichst umfassende Vorsorge. Dazu gehören die ordnungsgemäße Auslegung, Beschaffung, Installation, Wartung und Überwachung dieser Systeme, um eine frühzeitige Erkennung und Behebung von Fehlern, die zu einem Brand führen könnten, zu gewährleisten. Außerdem sollten die Nutzer über sichere Praktiken und potenzielle Gefahren im Zusammenhang mit dem unsachgemäßen Umgang mit diesen Systemen aufgeklärt werden. Hier meine fünf Faktoren:

Sichere Bauweise

Ein gutes Design spielt eine entscheidende Rolle bei der Vorbeugung von Batteriebränden. Es beginnt mit der Auswahl der besten Batteriezellen, des Batteriemanagementsystems (BMS) und des Systemdesigns, die den unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Belastungen standhalten. Das Design sollte auch den sicheren Verschluss von Batteriekomponenten, insbesondere des brennbaren Elektrolyts, gewährleisten. Darüber hinaus sollte die Architektur von Batteriepaketen, insbesondere in Elektrofahrzeugen oder Energiespeichersystemen, so konzipiert sein, dass Ausfälle isoliert werden und die Fehlfunktion einer einzelnen Zelle nicht auf andere Zellen übergreifen kann (thermal propagation), wodurch das Risiko eines größeren Brandes grundsätzlich schon verringert wird. Der Einbezug robuster Wärmemanagementsysteme in die Konstruktion gewährleistet ebenso eine wirksame Wärmeableitung und kann Überhitzungen verhindern.

Test der Batteriezellen. Bildquelle TWAICE

Sorgfältige Qualitätssicherung

Eine wesentliche Präventivmaßnahme gegen Batteriebrände liegt in der sorgfältigen Qualitätssicherung bei der Herstellung von Batteriesystemen, angefangen bei der Zellproduktion bis hin zum finalen Einbau in das Fahrzeug. Strenge Grenzwerte bei Eingangs- und End-of-Line-Tests sorgen zwar für eine höhere Ausschussquote, sind jedoch notwendig, um spätere Fehlfunktionen so gut wie möglich auszuschließen. Fehler müssen so früh wie möglich identifiziert werden.

Frühzeitige Erkennung von Defekten

Eine kontinuierliche Überwachung der Batterien ist unerlässlich. Alle festgestellten Anomalien sollten eine Warnung auslösen oder, falls erforderlich, das System abschalten, um weitere Schäden zu verhindern. Der Einsatz fortschrittlicher Diagnosetools und -verfahren kann dazu beitragen, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen, noch bevor sie zu spürbaren Leistungseinbußen führen können. Batterieanalytik-Software kann zum Beispiel Anomalien im System erkennen, die sich in verschiedene Risikostufen einteilen lassen. Das schafft eine zweite Sicherheitsebene und ermöglicht einen rechtzeitigen Austausch. Regelmäßige Inspektionen und Wartungen können ebenfalls zur frühzeitigen Erkennung von Defekten beitragen. So können z. B. physische Anzeichen von Batterieschäden, wie Schwellungen oder Auslaufen, auf ein internes Problem hinweisen.

Identifizierung potenzieller Ursachen für thermal runaway

Thermal runaway beschreibt die Überhitzung einer Zelle, die dazu führen kann, dass sich benachbarte Zellen ebenfalls überhitzen, wodurch eine Kettenreaktion, eine so genannte thermische Ausbreitung, entsteht. Ein weiterer entscheidender Aspekt bei der Vermeidung von Batteriebränden ist daher die frühzeitige Erkennung potenzieller Ursachen für thermal runaway. Leistungsfähige Batteriemanagementsysteme sind in dieser Hinsicht von entscheidender Bedeutung. Diese Systeme überwachen und steuern die Betriebsbedingungen der Batterie, einschließlich Ladezustand und Temperatur, und können eingreifen, wenn abnormale Bedingungen festgestellt werden. So kann das BMS beispielsweise eine Überladung oder Entladung verhindern und die Batterie abschalten, wenn die Temperatur ein sicheres Niveau überschreitet. Darüber hinaus kann Batterieanalytik eine zweite Sicherheitsebene bieten, indem sie frühzeitig Indikatoren für einen sich verschlechternden Batteriezustand und Ursachen für thermal runaway wie z. B. Lithium plating erkennt. Bei diesem Vorgang bildet sich beim Laden der Batterie metallisches Lithium und lagert sich ab, so dass sich die Lebensdauer des Akkus verringert und sogar ein Kurzschluss oder Brand entstehen kann. Die regelmäßige Inspektion und Wartung von Batterien können auch dazu beitragen, äußere Anzeichen für potenzielle Probleme zu erkennen, wie z. B. Schwellungen oder Auslaufen, die auf die Gefahr eines thermal runaway hinweisen können. Werden die Anzeichen jedoch rechtzeitig erkannt und behandelt, wird das Risiko von Batteriebränden wirksam minimiert.

Die Gewinnung, Speicherung und Nutzung alternativer Energien haben ebenso Vor- und Nachteile, Chancen und Risiken, wie die der hergebrachten Energien. Nur, wenn wir überlegt analysieren und wissenschaftlich fundiert beobachten, können wir gemeinsam den Antrieb unserer Welt ökologisch sinnvoller gestalten.

Autor: Lennart Hinrichs, VP Strategic Partnerships bei TWAICE