Höherer SOC erhöht Risiko für thermisches Durchgehen
Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien bleibt eine der größten Herausforderungen für die Elektromobilität. Während die globale Nachfrage nach Elektrofahrzeugen weiter steigt – 2023 wurden weltweit 14,65 Millionen neue Energiefahrzeuge verkauft, davon 9,49 Millionen allein in China – rückt die Frage der thermischen Stabilität von Batteriesystemen zunehmend in den Fokus. Besonders kritisch ist das Phänomen des thermischen Durchgehens, ein unkontrollierter Kettenreaktionsprozess, der zu Bränden oder Explosionen führen kann. Eine neue Studie des Forschungsteams um Cheng Lu von der Wuhan Technical College of Communications und Liu Liang vom Technischen Zentrum der Dongfeng Motor Corporation beleuchtet nun, wie stark der Ladezustand (State of Charge, SOC) eines Akkus die Ausbreitung eines solchen thermischen Durchgehens beeinflusst.
Die Arbeit, veröffentlicht im Journal of Wuhan Engineering Polytechnic, liefert wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung sicherer Batteriesysteme. Mithilfe der Simulationssoftware COMSOL Multiphysics haben die Forscher ein vereinfachtes, sogenanntes „lumped-parameter“-Modell eines handelsüblichen Batteriemoduls erstellt. Dieses Modell ermöglicht es, das komplexe Zusammenspiel von elektrischen, chemischen und thermischen Prozessen innerhalb eines Batteriepacks unter realistischen Bedingungen nachzubilden, ohne auf schwer zugängliche, zellinterne Parameter angewiesen zu sein. Die Ergebnisse zeigen eindeutig: Je höher der SOC, desto schneller und intensiver breitet sich ein thermisches Durchgehen aus. Bei vollen Batterien (100 % SOC) kann die Temperatur benachbarter Zellen innerhalb von 200 Sekunden auf über 690 °C ansteigen – eine dramatische Eskalation, die bei niedrigeren Ladezuständen nicht beobachtet wurde.
Diese Erkenntnisse sind von zentraler Bedeutung für die gesamte Wertschöpfungskette der Elektromobilität – von Fahrzeugherstellern und Batterieentwicklern bis hin zu Sicherheitsbehörden und Versicherungen. Sie unterstreichen, dass der SOC nicht nur ein Maß für die verbleibende Reichweite ist, sondern auch ein entscheidender Faktor für das Risikoprofil eines Fahrzeugs. Die Studie bietet nicht nur ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, sondern auch konkrete Ansatzpunkte für die Verbesserung von Batteriemanagementsystemen (BMS), Sicherheitskonzepten und Notfallmaßnahmen.
Die Gefahr des thermischen Durchgehens: Ein Kettenreaktionsszenario
Das thermische Durchgehen ist kein einzelner, isolierter Vorfall, sondern ein komplexer, selbstverstärkender Prozess. Es beginnt typischerweise mit einem Auslöser – sei es ein mechanischer Schaden durch einen Unfall, eine interne Kurzschlussstelle, eine Überladung oder eine lokale Überhitzung. Diese Störung führt zu einer plötzlichen, unkontrollierten Wärmeentwicklung innerhalb einer einzelnen Batteriezelle. Sobald eine kritische Temperatur erreicht ist, beginnen exotherme Nebenreaktionen: Der Elektrolyt zersetzt sich, die Elektrodenmaterialien (insbesondere der Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid-Kathodenstoff, NCM) zerfallen, und es entstehen brennbare Gase.
Wenn die erzeugte Wärme schneller entsteht, als sie abgeführt werden kann, steigt die Temperatur weiter an. Dies beschleunigt die chemischen Reaktionen exponentiell – ein klassisches positives Feedback. Die Zelle erreicht Temperaturen von über 500 °C bis hin zu 1000 °C, was zur Entzündung der Gase und schließlich zur Explosion oder zum Brand der gesamten Zelle führen kann. Die größte Gefahr liegt jedoch in der Ausbreitung: Die immense Hitze der defekten Zelle heizt die direkt angrenzenden Zellen auf. Wenn deren Temperatur ebenfalls den kritischen Punkt überschreitet, geraten auch sie in ein thermisches Durchgehen. Dieser Prozess kann sich wie eine Welle durch das gesamte Batteriemodul und schließlich durch den gesamten Batteriepack fortpflanzen – ein sogenannter „thermal runaway propagation“.
Dieses Szenario ist besonders gefährlich, weil es extrem schnell abläuft und schwer zu kontrollieren ist. Herkömmliche Brandschutzsysteme, die auf Wasser oder Schaum basieren, sind oft wenig effektiv, da die Reaktionen innerhalb der Zellen selbst ablaufen und Sauerstoff aus den chemischen Verbindungen gewonnen wird. Daher ist die Prävention und die frühzeitige Erkennung entscheidend. Hier setzt die Studie von Cheng Lu und ihren Kollegen an, indem sie den Ausbreitungsprozess systematisch untersucht und die entscheidende Rolle des SOC quantifiziert.
Von der Theorie zur Simulation: Ein praxisnahes Modell
Die traditionelle Methode, thermisches Durchgehen zu erforschen, ist die experimentelle Prüfung. Forscher bringen Zellen unter kontrollierten Bedingungen dazu, durchzubrennen – durch Erhitzen, Nadeldurchstechung oder mechanische Kompression. Diese Tests liefern wertvolle Daten, sind aber teuer, zeitaufwändig und bergen Sicherheitsrisiken. Zudem ist es schwierig, den exakten Ablauf der Ausbreitung in einem komplexen Pack mit Dutzenden von Zellen detailliert zu beobachten.
Die Alternative der Wuhan-Forscher ist die computergestützte Simulation. Ihr Ansatz nutzt ein „lumped-parameter“-Modell. Im Gegensatz zu hochdetaillierten elektrochemischen Modellen, die jeden Ionentransport und jede Reaktion innerhalb der Elektroden nachbilden, aggregiert ein solches Modell die komplexen internen Prozesse in wenige, äußerlich messbare Parameter. Das macht es rechenleistungssparend und praktisch anwendbar.
Die Forscher nutzten für ihr Modell eine handelsübliche prismatische Lithium-Ionen-Zelle mit einer NCM111-Kathode (Nickel-Cobalt-Mangan im Verhältnis 1:1:1) und einer Graphitanode. Die Gesamtkapazität des simulierten Packs betrug etwa 675 Ah. Das Modell bestand aus sechs in Reihe geschalteten Modulen, wobei jedes Modul aus fünf in Reihe geschalteten Zellen bestand – eine typische Architektur für Fahrzeugbatterien. Die Module waren durch Aluminiumplatten getrennt, die sowohl strukturelle als auch thermische Funktionen erfüllen.
Die entscheidende Stärke des Modells liegt in seiner Datengrundlage. Anstatt hypothetische Werte zu verwenden, basierten die Eingangsparameter auf realen Experimenten. Die Forscher verwendeten Messwerte für die elektrische Leitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität, die Dichte und die Wärmeleitfähigkeit der Elektrodenmaterialien. Auch die Spannungsverluste – ein kritischer Faktor für die Wärmeentwicklung – wurden aus externen Tests abgeleitet. Dieser Ansatz macht das Modell besonders robust und übertragbar, da solche Daten auch für Fahrzeughersteller zugänglich sind, die Batteriezellen von externen Lieferanten beziehen.
Die Simulation: Wie sich das Feuer ausbreitet
Im Simulationsansatz wurde davon ausgegangen, dass die Zelle 1 bereits aufgrund eines äußeren Ereignisses (wie einem Crash) in ein thermisches Durchgehen geraten ist. Diese Zelle wurde als konstanter Wärmequellenpunkt modelliert, der eine enorme Menge an Energie freisetzt. Die Simulation verfolgte dann über einen Zeitraum von 20 Minuten, wie sich diese Hitze auf die umliegenden Zellen auswirkte und ob und wie schnell ein Kettenreaktion einsetzte.
Die Forscher testeten sechs verschiedene Szenarien: SOC-Werte von 20 %, 30 %, 50 %, 70 %, 90 % und 100 %. Die Ergebnisse waren eindrucksvoll und klar. Bei den niedrigsten Ladezuständen, 20 % und 30 % SOC, blieb das thermische Durchgehen lokal begrenzt. Obwohl Zelle 1 extrem heiß wurde, reichte die abgegebene Wärme nicht aus, um die benachbarten Zellen auf die kritische Zündtemperatur (typischerweise über 200 °C) zu bringen. Die maximale Temperatur der direkt angrenzenden Zelle 2 erreichte nach etwa 500 Sekunden bei 20 % SOC nur 81 °C und bei 30 % SOC 93 °C. Keine weitere Zelle geriet in ein thermisches Durchgehen. Dies deutet darauf hin, dass teilweise entladene Batterien ein signifikant geringeres Risiko für eine katastrophale Kettenreaktion aufweisen.
Die Situation änderte sich dramatisch ab einem SOC von 50 %. Ab diesem Punkt ist genügend chemische Energie in den Elektroden gespeichert, um als „Treibstoff“ für die Ausbreitung zu dienen. Die Hitze von Zelle 1 war nun ausreichend, um Zelle 2 so stark aufzuheizen, dass auch sie in ein thermisches Durchgehen geriet. Dieser Prozess setzte sich fort: Zelle 2 heizte Zelle 3 auf, und so weiter. Bei 50 % SOC breitete sich das Durchgehen auf drei bis vier benachbarte Zellen aus. Bei 70 % SOC war die Ausbreitung noch schneller und intensiver.
Die alarmierendsten Ergebnisse zeigten sich bei 90 % und 100 % SOC. In diesen Szenarien wurde die Ausbreitung zu einer wahren Feuerwalze. Die maximale Temperatur von Zelle 2 stieg auf 680 °C bei 90 % SOC und auf 694 °C bei 100 % SOC an. Entscheidend ist jedoch die Zeit: Bei 100 % SOC erreichte Zelle 2 ihren Temperaturgipfel bereits nach 200 Sekunden – weniger als dreieinhalb Minuten nach dem Auslöser. Die Simulation zeigte auch, dass die Hitze nicht nur linear in einer Reihe weitergeleitet wurde, sondern auch seitlich auf benachbarte Zellen in anderen Reihen übergriff. Dies ist ein Hinweis darauf, dass bei vollen Batterien das Risiko eines kompletten Modul- oder sogar Pack-Totalausfalls extrem hoch ist.
Spannung als falscher Freund: Ein kritisches Signal
Ein weiterer faszinierender Aspekt der Studie betrifft das elektrische Verhalten der Zellen während des Ausbreitungsprozesses. Die Forscher analysierten den Spannungsverlauf von Zelle 2, die nicht direkt ausgelöst wurde, sondern durch Wärmeübertragung gefährdet war.
Hier zeigte sich ein kontraintuitives Ergebnis: In allen Szenarien fiel die Spannung von Zelle 2 allmählich ab, aber der Abfall war bei niedrigeren SOC-Werten (20 %, 30 %) deutlich ausgeprägter als bei höheren (90 %, 100 %). Dies ist von großer Bedeutung für die Praxis. Viele Batteriemanagementsysteme (BMS) nutzen plötzliche Spannungseinbrüche als primäres Warnsignal für einen bevorstehenden Fehler. Diese Studie legt jedoch nahe, dass dieses Signal bei einer vollen Batterie trügerisch sein könnte. Obwohl die Zelle bei 100 % SOC extrem schnell überhitzt, bleibt ihre Spannung relativ stabil. Ein BMS könnte daher die drohende Gefahr nicht rechtzeitig erkennen, weil es auf ein Signal wartet, das möglicherweise nicht stark genug ausgeprägt ist.
Dies unterstreicht die Notwendigkeit, BMS-Algorithmen zu überdenken und sie um temperaturbasierte Frühwarnsysteme zu erweitern. Die reine Überwachung von Spannung und Strom reicht möglicherweise nicht aus, um das thermische Durchgehen in einem frühen Stadium zu erkennen, insbesondere bei hohen Ladezuständen. Die Integration von präzisen Temperatursensoren an kritischen Stellen innerhalb des Packs und die Entwicklung intelligenter Algorithmen, die subtile Änderungen im Spannungsverhalten in Kombination mit Temperaturdaten analysieren, sind entscheidende nächste Schritte.
Implikationen für die Branche: Von der Forschung zur Praxis
Die Ergebnisse dieser Studie haben weitreichende Konsequenzen für die gesamte Automobilindustrie. Erstens bestätigen sie empirisch, was viele Ingenieure vermutet haben: Das Laden auf 100 % maximiert nicht nur die Reichweite, sondern auch das Risiko. Für Anwendungen, bei denen Sicherheit oberste Priorität hat – wie beispielsweise Flottenfahrzeuge, Taxis oder Fahrzeuge für den öffentlichen Nahverkehr – könnte es sinnvoll sein, die maximale Ladekapazität auf 80 % oder 90 % zu begrenzen. Diese kleine Einschränkung der Reichweite könnte ein erhebliches Plus an Sicherheit bringen und die Wahrscheinlichkeit einer katastrophalen Kettenreaktion erheblich senken.
Zweitens müssen die Entwickler von Batteriemanagementsystemen ihre Strategien anpassen. Die Studie zeigt, dass traditionelle Überwachungsparameter wie die Spannung allein nicht ausreichen. Zukünftige BMS müssen „intelligenter“ werden und ein umfassenderes Bild des Batteriezustands erstellen. Dies erfordert die Fusion von Daten aus mehreren Quellen – Spannung, Strom, Temperatur und möglicherweise auch Impedanzmessungen – um ein präziseres Risikoprofil zu erstellen.
Drittens bietet das Modell der Wuhan-Forscher einen leistungsstarken Werkzeugkasten für die virtuelle Entwicklung. Statt teure und zeitaufwändige physische Crash-Tests durchzuführen, können Ingenieure nun verschiedene Szenarien am Computer simulieren. Sie können die Auswirkungen unterschiedlicher Kühlstrategien testen, die Effizienz verschiedener Wärmebarrieren zwischen den Zellen bewerten oder die Auswirkungen neuer Modularchitekturen auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit analysieren. Dies beschleunigt den Entwicklungsprozess erheblich und senkt die Kosten.
Schließlich wirft die Studie auch Fragen an die bestehenden Sicherheitsstandards auf. Viele Prüfverfahren bewerten Batterien unter standardisierten Bedingungen, oft bei einem festen SOC. Diese Arbeit zeigt jedoch, dass das Risiko stark vom Ladezustand abhängt. Ein Fahrzeug, das nach einer langen Fahrt mit einer fast vollen Batterie einen Unfall hat, befindet sich in einem völlig anderen Risikoprofil als eines mit einer halb leeren Batterie. Regulierungsbehörden könnten daher in Erwägung ziehen, Prüfprotokolle zu entwickeln, die verschiedene SOC-Szenarien explizit berücksichtigen.
Insgesamt liefert die Arbeit von Cheng Lu, Liu Liang, Ye Guojun und Tang Qiong eine fundierte, datengestützte Analyse eines der kritischsten Probleme der Elektromobilität. Sie verbindet akademische Tiefe mit praktischer Relevanz und bietet konkrete Handlungsempfehlungen für eine sicherere Zukunft der Elektrofahrzeuge. Ihre Methode, ein zugängliches Simulationsmodell zu nutzen, um komplexe physikalische Prozesse zu entschlüsseln, ist ein Paradebeispiel für anwendungsorientierte Forschung, die einen direkten Einfluss auf die Technologie und die Sicherheit im Alltag haben kann.
Cheng Lu, Liu Liang, Ye Guojun, Tang Qiong. Höherer SOC erhöht Risiko für thermisches Durchgehen. Journal of Wuhan Engineering Polytechnic, 2024. DOI: 10.13542/j.cnki.1671-3524.2024.01.001