Neue Strategien gegen thermisches Durchgehen in E-Auto-Batterien
Mit der weltweit rasant wachsenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen bleibt die Sicherheit ihrer Lithium-Ionen-Batterien eine entscheidende Herausforderung für Automobilhersteller, Regulierungsbehörden und Verbraucher gleichermaßen. Eine der dringlichsten Problematiken ist das thermische Durchgehen – eine sich selbst verstärkende Kettenreaktion innerhalb der Batteriezellen, die zu Bränden oder Explosionen führen kann. Eine aktuelle Studie unter der Leitung von Chen Guohe, Lyu Peizhao, Li Menghan und Rao Zhonghao von der Hebei-Universität für Technologie liefert eine umfassende Analyse der Ausbreitungsmechanismen des thermischen Durchgehens in Batteriemodulen und bewertet gleichzeitig modernste Strategien zur Risikominimierung. Ihre in der Zeitschrift Energy Storage Science and Technology veröffentlichten Erkenntnisse weisen Wege zu sichereren und widerstandsfähigeren Batteriesystemen für Elektrofahrzeuge auf.
Das thermische Durchgehen beginnt, wenn interne Nebenreaktionen in einer Lithium-Ionen-Zelle – wie die Zersetzung der Festkörper-Elektrolyt-Grenzschicht (SEI) oder Reaktionen zwischen Kathode und Elektrolyt – schneller Wärme erzeugen, als diese abgeführt werden kann. Dies löst einen Dominoeffekt aus: steigende Temperaturen beschleunigen weitere exotherme Reaktionen, was zu rapiden Temperaturspitzen, Gasentwicklung und in schweren Fällen zum Ausströmen von Gasen oder zur Entzündung der Zelle führt. Obwohl moderne Elektrofahrzeuge über ausgeklügelte Batteriemanagementsysteme verfügen, kann die Ausbreitung des thermischen Durchgehens von einer Zelle auf benachbarte Zellen in einem Pack ein gesamtes Modul gefährden und erhebliche Sicherheitsrisiken bergen.
Die Forscher betonen, dass das Verständnis der Ausbreitungsmechanismen genauso wichtig ist wie die Verhinderung des initialen Ereignisses. Die Wärme breitet sich primär über drei Pfade aus: Leitung durch Zellgehäuse und Verbindungselemente, Konvektion durch heiße Gase und ausgeströmte Materialien sowie Strahlung durch Flammen oder glühende Oberflächen. Abhängig von der Batteriegeometrie – zylindrisch, prismatisch oder als Pouch-Zelle – variiert der dominante Wärmeübertragungsmodus. In eng gepackten prismatischen Modulen ist beispielsweise die Leitung durch das Aluminiumgehäuse für den Großteil des Wärmetransfers zu benachbarten Zellen verantwortlich. Im Gegensatz dazu können eng beieinander liegende zylindrische Zellen eine signifikante Strahlungswärme erfahren, insbesondere bei Anwesenheit von Flammen.
Eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, wie schnell und weitreichend sich das thermische Durchgehen ausbreitet. Die Batteriechemie spielt eine entscheidende Rolle. Zellen mit nickelreichen Kathoden wie NCM811 zeigen eine schnellere und heftigere Ausbreitung im Vergleich zu Zellen mit Lithium-Eisenphosphat (LFP), die von Haus aus thermisch stabiler sind. Auch der Ladezustand (State of Charge, SOC) ist von Bedeutung – ein höherer SOC bedeutet mehr gespeicherte chemische Energie, die exotherme Reaktionen antreiben kann. Experimente zeigen, dass eine 10 Ah NCM-Pouch-Zelle bei 100 % SOC benachbarte Zellen in unter zwei Minuten auslösen kann, während dieselbe Zelle bei 20 % SOC möglicherweise überhaupt keine Ausbreitung verursacht.
Das physikalische Design des Batteriepacks moduliert das Risiko weiter. Die Verschaltungstopologie – ob die Zellen in Reihe, parallel oder in Hybridkonfigurationen verdrahtet sind – beeinflusst sowohl das elektrische als auch das thermische Verhalten während eines Ausfalls. Parallele Schaltungen, obwohl sie im Normalbetrieb vorteilhaft für die Stromverteilung sind, können das thermische Durchgehen verschärfen, indem sie eine Stromumverteilung ermöglichen, die benachbarte Zellen überhitzt. Eine in der Übersichtsarbeit zitierte Studie fand heraus, dass ein 1S10P zylindrisches Modul innerhalb von Minuten nach dem Ausfall einer einzelnen Zelle eine vollständige Ausbreitung erlebte, während eine 10S1P Konfiguration unter identischen Bedingungen keine Ausbreitung zeigte.
Die Anordnung der Batteriezellen beeinflusst ebenfalls die Ausbreitungsdynamik. Vertikales Stapeln, das in vielen EV-Plattformen üblich ist, ermöglicht es Flammenstrahlen und heißen Gasen einer darunter liegenden defekten Zelle, direkt auf die Zellen darüber zu treffen, was die Aufwärtsausbreitung beschleunigt. Im Gegensatz dazu können brick-style oder versetzte Anordnungen direkte Flammenpfade unterbrechen und die Distanz, die die Wärme zurücklegen muss, vergrößern, wodurch kaskadierende Ausfälle verlangsamt oder gestoppt werden. Forscher demonstrierten, dass solche geometrischen Interventionen das thermische Durchgehen effektiv auf ein einzelnes Modul begrenzen und einen systemweiten Zusammenbruch verhindern konnten.
Umgebungsbedingungen fügen eine weitere Ebene der Komplexität hinzu. In großen Höhen oder in Luft- und Raumfahrtanwendungen verändert ein reduzierter Umgebungsdruck die Verbrennungseigenschaften und den Wärmetransfer. Kontraintuitiverweise können Niedrigdruckumgebungen die Ausbreitung je nach Zellchemie und Modulkonfiguration entweder unterdrücken oder beschleunigen. Beispielsweise zeigten LFP-Module ein erhöhtes Ausbreitungsrisiko unterhalb von 70 kPa, während NCM523-Module unter denselben Bedingungen eine reduzierte Ausbreitung aufwiesen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer anwendungsspezifischen Sicherheitsvalidierung, insbesondere da sich Elektrofahrzeuge in diverse Betriebsumgebungen ausbreiten.
Vor diesem Hintergrund bewertet das Forschungsteam systematisch thermische Managementstrategien, die darauf ausgelegt sind, die Ausbreitung zu unterbrechen. Passive und aktive Kühlmethoden bieten jeweils distincte Vor- und Nachteile.
Luftkühlung, obwohl einfach und kostengünstig, bietet nur eine begrenzte thermische Pufferung während Durchgehereignissen. Erzwungene Luftströmung – insbesondere longitudinaler Wind – kann jedoch die Flammenentwicklung signifikant unterdrücken. Ein Experiment fand heraus, dass eine Luftströmung von über 4,5 m/s sichtbare Flammen nach dem Ausströmen eliminierte und so die Risiken sekundärer Entzündung reduzierte. Obwohl als alleinige Lösung für hoch energetische Packs unzureichend, kann Luftkühlung als ergänzende Maßnahme in Anwendungen mit geringerem Risiko dienen.
Flüssigkühlsysteme, die in Premium-Elektrofahrzeugen weit verbreitet sind, bieten eine überlegene Wärmeabfuhrkapazität. Indirekte Flüssigkühlung – bei der Kühlmittel durch Kanäle fließt, die an den Zellen anliegen – kann die Ausbreitung verzögern, aber oft nicht verhindern, sobald das Durchgehen einmal initiiert ist. Mikrokanal- und serpentinenförmige Kühlplatten verbessern die Leistung, erfordern jedoch hohe Durchflussraten (z.B. 96 L/h), um den Temperaturanstieg in benachbarten Zellen effektiv zu unterdrücken. Entscheidend ist die Geschwindigkeit der Systemreaktion: Eine sofortige Erhöhung des Kühlmittelflusses nach der Detektion einer Anomalie kann die Spitzentemperaturen in Nachbarzellen um über 100°C reduzieren und damit kritische Zeit für Interventionen gewinnen.
Vielversprechender ist die direkte Immersionskühlung, bei der Zellen in dielektrische Flüssigkeiten wie Transformatoröl, Silikonöl oder technische Fluorokohlenwasserstoffe wie Novec 649 getaucht werden. Diese Flüssigkeiten absorbieren Wärme direkt von den Zelloberflächen und unterdrücken die Verbrennung, indem sie den Sauerstoffzugang limitieren. In einem Test zeigte ein in Novec 649 getauchtes 60 Ah NCM622-Pouch-Modul während eines überladungsinduzierten Durchgehens Oberflächentemperaturen von maximal 184°C – weit unter den in Luft typischen 500–800°C – und wies keine Flammenbildung oder Ausbreitung auf. Immersionssysteme eliminieren auch den Bedarf für komplexe Kühlplatten und könnten somit das Pack-Design vereinfachen.
Phasenwechselmaterialien (PCMs) bieten passive thermische Pufferung, indem sie während des Schmelzens große Wärmemengen absorbieren. Allerdings sind traditionelle organische PCMs wie Paraffin brennbar und bergen eine zusätzliche Brandgefahr. Um dies zu adressieren, haben Forscher flammhemmende Verbundwerkstoffe entwickelt – Mischungen aus PCMs mit Additiven wie Aluminiumhydroxid, Ammoniumpolyphosphat oder Melamin. Diese Formulierungen verzögern den Beginn des thermischen Durchgehens um mehrere Minuten und reduzieren die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Beispielsweise verlängerte ein PCM mit einer 10:6:3 Mischung aus Ammoniumphosphat, Melamin und Pentaerythrit die Ausbreitungszeit in einem 10 Ah NCM-Pouch-Modul um 90 Sekunden. Anorganische PCMs, wie Natriumacetat-Trihydrat, eliminierte die Entflammbarkeit, stehen aber vor Herausforderungen mit Phasentrennung und Unterkühlung, was eine Einkapselung oder Verbundstrukturierung erfordert.
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit – Graphitverbundwerkstoffe, Aluminiumplatten oder Metallschäume – können Wärme von Hotspots weg verteilen und so lokale Temperaturspitzen verhindern. Doch in großen, hochenergetischen Modulen könnten diese Materialien unbeabsichtigt die Ausbreitung beschleunigen, indem sie Wärme effizienter zu benachbarten Zellen leiten. Daher muss ihr Einsatz sorgfältig kalibriert werden. Umgekehrt wirken wärmedämmende Materialien als Barrieren. Aerogele, insbesondere silikabasierte Varianten, weisen eine ultrageringe Wärmeleitfähigkeit (<0,02 W/m·K) und Stabilität oberhalb von 600°C auf. Eine 6,9 mm dicke Aerogel-Platte blockierte erfolgreich die Ausbreitung in einem Hoch-Nickel (NCMA)-Modul mit Oberflächentemperaturen von über 800°C. Ähnlich stoppten Hohlglas-Mikrosphären (HGM)-Platten von nur 3 mm Dicke das Durchgehen in 51 Ah NCM811 prismatischen Zellen.
In Anerkennung der Limitierungen von Einzelmethoden-Ansätzen erforschen Wissenschaftler zunehmend Hybridsysteme. Die Kombination von Aerogel-Isolierung mit Flüssigkühlung nutzt beispielsweise die Fähigkeit der Isolierung, den Wärmetransport zu verzögern, und die Kapazität des Kühlmittels, Energie über die Zeit abzuführen. Ein Hybrid-Design hielt die Temperaturen benachbarter Zellen während eines Dreifachzellenausfalls unter 90°C. Ein anderes System integrierte PCM, Aluminiumplatten und Flüssigkeitsfluss – es verbesserte die Temperaturgleichmäßigkeit im Normalbetrieb und bot gleichzeitig mehrstufigen thermischen Schutz unter Missbrauchsbedingungen.
In die Zukunft blickend identifizieren die Autoren drei zentrale Forschungsrichtungen. Erstens ist ein tieferes mechanistisches Verständnis der Entgasungs- und Verbrennungsprozesse während des Durchgehens – insbesondere die Rolle fester Partikel und aerosolierter Elektrolyte – notwendig, um Ausbreitungsmodelle zu verfeinern. Zweitens müssen multiskalige, mehrphasige Simulationswerkzeuge, die elektrochemische, thermische, strömungsdynamische und Verbrennungsphysik koppeln, entwickelt und validiert werden, wobei Modelle reduzierter Ordnung einen schnelleren Design-Iterationszyklus ermöglichen. Drittens sollten Thermomanagement-Systeme der nächsten Generation Effizienz im Normalbetrieb und Unterdrückungsfähigkeiten im Notfall vereinen, möglicherweise durch intelligente Materialien, die nur unter Extrembedingungen aktiviert werden.
Für die Automobilindustrie haben diese Erkenntnisse unmittelbare Relevanz. Während Automobilhersteller auf höhere Energiedichten zur Reichweitensteigerung hinarbeiten, darf Sicherheit kein Nachgedanke sein. Batteriearchitekturen müssen thermische Ausbreitungsbarrieren von Anfang an integrieren – nicht als Add-ons, sondern als Kernelemente des Designs. Regulatorische Standards, wie Chinas GB 38031–2020, schreiben bereits Widerstandsfähigkeit gegen die Ausbreitung thermischen Durchgehens vor, und ähnliche Anforderungen entstehen global. Die hier besprochenen Strategien bieten eine Roadmap für Compliance ohne Leistungseinbußen.
Letztendlich ist das Ziel nicht nur, ein Versagen einzudämmen, sondern es zu verhindern. Während kein System absolute Sicherheit garantieren kann, können abgestufte Verteidigungsschichten – eine Kombination aus robuster Zellchemie, intelligenter Pack-Architektur, responsivem Thermomanagement und fortschrittlicher Überwachung – die Wahrscheinlichkeit und die Konsequenzen thermischen Durchgehens auf ein vernachlässigbares Niveau reduzieren. Während Elektrofahrzeuge zum Mainstream werden, wird solche ingenieurtechnische Gründlichkeit essentiell sein, um das Verbrauchervertrauen zu erhalten und nachhaltige Mobilität zu ermöglichen.
Autoreninformation: Chen Guohe, Lyu Peizhao, Li Menghan, Rao Zhonghao, School of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China. Zeitschrift: Energy Storage Science and Technology DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0091