Versteckte Brandrisiken bei Hoch-Nickel-Akkus
Während Elektrofahrzeuge weltweit rasant an Verbreitung gewinnen, warnt eine neue wissenschaftliche Untersuchung vor den versteckten Gefahren von Lithium-Ionen-Batterien mit hohem Nickelgehalt – insbesondere wenn sie in den beengten, geschlossenen Umgebungen moderner Batteriepacks versagen. Die von einem Team der Chinesischen Volkspolizei-Universität durchgeführte Forschung zeigt, dass beengte Räume zwar sichtbare Flammen während des thermischen Durchgehens unterdrücken können, die katastrophale Kettenreaktion von einer Zelle zur nächsten jedoch nicht stoppen. Diese Erkenntnis stellt die vorherrschenden Annahmen in der EV-Sicherheitstechnik in Frage und hat tiefgreifende Auswirkungen auf Fahrzeugdesign, Brandbekämpfungsstrategien und forensische Untersuchungen nach Unfällen.
Die Studie konzentriert sich auf NCM811-Batterien – so benannt, weil ihre Kathode aus 80 % Nickel, 10 % Kobalt und 10 % Mangan besteht. Diese Zellen mit hoher Energiedichte sind zur ersten Wahl für Automobilhersteller geworden, die die Reichweite maximieren wollen. Mit einem höheren Nickelgehalt steigt jedoch die chemische Reaktivität und die thermische Stabilität nimmt ab. Die neue Forschung, veröffentlicht in Energy Storage Science and Technology, demonstriert, wie volatil diese Batterien unter realen Ausfallbedingungen werden können.
In kontrollierten Experimenten platzierten die Forscher ein Vier-Zellen-Modul aus 51 Ah NCM811-Pouch-Zellen in einer versiegelten Stahlkammer, die die beengte Geometrie eines EV-Batteriegehäuses nachbildete. Das Modul wurde vollständig auf 100 % Ladezustand (SOC) geladen – ein häufiger Zustand während längerer Fahrten oder nächtlichen Ladens – und dann an einem Ende externer Hitze ausgesetzt, um das thermische Durchgehen der ersten Zelle auszulösen.
Was als Nächstes geschah, war sowohl dramatisch als auch aufschlussreich. Innerhalb von Sekunden nach dem Versagen der ersten Zelle stieß diese einen Strahl glutrote Partikel und brennbarer Gase durch ihr Druckentlastungsventil aus. Eine kurze, aber intensive Stichflamme entstand, die die angesammelten Gase in der Kammer entzündete und eine momentane Feuerballbildung verursachte – ein Phänomen, das als Flashover bekannt ist. Aufgrund des begrenzten Sauerstoffangebots in dem beengten Raum erlosch die Flamme jedoch innerhalb von zwei Sekunden. Trotz des Ausbleibens anhaltenden Feuers durchliefen die verbleibenden drei Zellen in den nächsten 237 Sekunden nacheinander ein vollständiges thermisches Durchgehen.
Kritisch ist, dass keine der nachfolgenden Zellen sichtbare Flammen erzeugte. Dennoch stieß jede große Mengen an glühenden Partikeln aus – glutrote Ember, die Temperaturen zwischen 820 °C und 979 °C erreichten. Diese Partikel, bestehend aus fragmentierten Kathoden- und Anodenmaterialien, spritzten auch nach dem Erlöschen der Flamme weiter aus den Zellen, füllten die Kammer mit dichtem schwarzem Rauch und bargen ernsthafte Sekundärzündungsrisiken bei Wiedereintritt von Sauerstoff – beispielsweise während Rettungseinsätzen oder Belüftung nach Unfällen.
„Dies verändert die Spielregeln für unsere Vorstellung von EV-Batteriebränden“, sagte der leitende Forscher Dengchao Han. „Das Fehlen offener Flammen bedeutet nicht, dass die Gefahr vorüber ist. Tatsächlich setzt sich die Ausbreitung des thermischen Durchgehens unvermindert fort, und die Umgebung bleibt aufgrund hochtemperierter Auswurfmaterialien und giftiger Gase extrem gefährlich.“
Die Studie dokumentiert minutiös den Zeitablauf des Versagens. Die interne Ausbreitung des thermischen Durchgehens innerhalb einer einzelnen Zelle – definiert als die Zeit, die die Wärme benötigt, um von der vorderen (beheizten) Oberfläche zur Rückseite zu gelangen – bewegte sich von nur 5 bis 7 Sekunden. Zwischen benachbarten Zellen variierte die Ausbreitungsverzögerung von 52 bis 106 Sekunden, wobei das längste Intervall zwischen der dritten und vierten Zelle auftrat, wahrscheinlich aufgrund verminderter Vorwärmung und zusätzlicher Wärmeabsorption durch Befestigungselemente.
Besonders besorgniserregend ist schließlich das schiere Ausmaß des Materialverlusts während des Versagens. Jede Zelle verlor zwischen 390 und 462 Gramm Masse – was 45,6 % bis 52,7 % ihres Gesamtgewichts entspricht. Diese Masse wurde nicht nur vaporisiert, sondern gewaltsam als geschmolzene Metalloxide, Kohlenstofffragmente und zersetzte Elektrolytverbindungen ausgestoßen. Ein derart massiver Auswurf beeinträchtigt nicht nur die strukturelle Integrität, sondern verteilt auch reaktive Materialien im gesamten Batteriefach, die möglicherweise nahegelegene Komponenten entzünden oder Löscharbeiten erschweren.
Die physikalische Verformung der Zellen erzählt ebenfalls eine forensische Geschichte. Nach dem Test wies jede Zelle eine deutliche Wölbung auf ihrer Vorderseite und eine entsprechende Delle auf der Rückseite auf – direkt in Richtung der ursprünglich ausgelösten Zelle. Dieses gerichtete Verformungsmuster, so die Forscher, könnte als entscheidender Hinweis für Unfallermittler dienen, die den Ursprung eines thermischen Durchgehens in realen Unfällen oder Garagenbränden bestimmen wollen.
Über makroskopische Beobachtungen hinaus führte das Team detaillierte mikroskopische und elementare Analysen der Kathodenmaterialien vor und nach dem thermischen Durchgehen durch. Unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) fanden sie heraus, dass die einst glatten, gleichmäßig verteilten NCM811-Partikel nach dem Versagen eine starke Agglomeration und Oberflächenätzung erfahren hatten. Am bedeutsamsten war, dass der Sauerstoffgehalt in der Kathode von 39,96 % auf 32,15 % sank – ein direkter Beweis für die Sauerstofffreisetzung während der thermischen Zersetzung.
Diese Sauerstofffreisetzung ist ein Haupttreiber der Schwere des thermischen Durchgehens. Im Gegensatz zu Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batterien, die relativ stabil bleiben, zersetzen sich nickelreiche Kathoden wie NCM811 exotherm bei hohen Temperaturen, setzen Sauerstoff frei, der dann heftig mit dem organischen Elektrolyten und der lithiierten Graphitanode reagiert. Diese selbsttragende Reaktion benötigt keinen externen Sauerstoff – was bedeutet, dass sie selbst in versiegelten, sauerstoffarmen Umgebungen weiter toben kann.
„Der Sauerstoff kommt von der Kathode selbst“, erläuterte der Mitautor Huaibin Wang, ein außerordentlicher Professor mit Spezialisierung auf Batteriebranddynamik. „Deshalb stoppt Eingrenzung die Ausbreitung nicht. Das Feuer ‚brennt‘ nicht im traditionellen Sinn; es ist eine Reihe interner Redoxreaktionen, die durch die eigene Chemie der Batterie angetrieben werden.“
Diese Erkenntnis hat große Auswirkungen auf das Batteriepack-Design. Viele aktuelle EV-Architekturen verlassen sich auf passive Brandbarrieren oder flammhemmende Beschichtungen, die davon ausgehen, dass externer Sauerstoff für die Verbrennung notwendig ist. Aber wenn die primäre Gefahr eine sauerstofffreie thermische Ausbreitung ist, die von interner Chemie angetrieben wird, könnten solche Maßnahmen unzureichend sein. Stattdessen legt die Studie nahe, dass wirksame Minderung sich auf schnelle Wärmeableitung, physische Trennung von Zellen und frühzeitige Erkennung von Ausgasungen konzentrieren muss – insbesondere von Elektrolytdämpfen, die das Team bereits drei Sekunden vor heftigem Auswurf beobachtete.
Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse die Grenzen von Brandtests im Freiraum, die bisher die Batteriesicherheitsforschung dominiert haben. In Freiluftumgebungen sind Flammen groß und anhaltend, was sie leicht zu beobachten und zu messen macht. Aber innerhalb eines Fahrzeugbatterietrays – oft umschlossen von Metallgehäusen, Kühlplatten und strukturellen Verstärkungen – sind die Dynamiken völlig anders. Flammen mögen unterdrückt werden, aber Hitze, Druck und reaktive Partikel akkumulieren, wodurch eine unter Druck stehende Hochtemperaturumgebung entsteht, die Gehäuse zum Bersten bringen oder bei Luftaussetzung wieder entzünden kann.
Für Ersthelfer bedeutet dies, dass ein EV-Brand, der „erloschen“ erscheint, immer noch extreme Gefahr bergen kann. Die Kammer in der Studie blieb lange nach dem Verschwinden der Flamme mit heißen, reaktiven Partikeln gefüllt. Das Öffnen des Batteriepacks ohne ordnungsgemäße Belüftung und Kühlung könnte Sauerstoff zuführen und eine Sekundärexplosion auslösen – ein Szenario, das in realen Vorfällen bereits aufgetreten ist.
Aus regulatorischer Sicht fordert die Studie aktualisierte Sicherheitsstandards, die Ausfallmodi in beengten Räumen berücksichtigen. Aktuelle UN- und FMVSS-Vorschriften bewerten Batterien oft isoliert oder in offenen Konfigurationen. Die neuen Daten legen nahe, dass Testprotokolle sich weiterentwickeln müssen, um realistische Pack-Geometrien zu simulieren, einschließlich begrenzter Belüftung und thermischer Kopplung zwischen Zellen.
Auch Automobilhersteller müssen möglicherweise ihr Streben nach immer höheren Energiedichten überdenken. Während NCM811 Reichweitenvorteile bietet, stellt seine thermische Instabilität in beengten Umgebungen einen nicht trivialen Sicherheitskompromiss dar. Einige Hersteller haben begonnen, sich zu Hybridkathoden (z.B. NCM622 oder NCM532) zu bewegen oder NCM mit LFP-Zellen zu mischen, um Leistung und Sicherheit auszugleichen. Diese Forschung liefert eine empirische Rechtfertigung für solche Strategien.
In Zukunft plant das Team der Chinesischen Volkspolizei-Universität, seine Arbeit auf andere Chemien auszudehnen – einschließlich Silizium-Anoden-Zellen und Festkörper-Prototypen – und die Rolle von Batteriemanagementsystemen (BMS) bei der Erkennung früher Anzeichen thermischen Durchgehens zu untersuchen. Sie zielen auch darauf ab, forensische Protokolle für Feldforscher zu entwickeln, die Verformungsmuster, Rückstandszusammensetzung und Partikelverteilung verwenden, um Versagenssequenzen zu rekonstruieren.
Für jetzt ist die Botschaft klar: Das Streben nach Elektrofahrzeugen mit größerer Reichweite darf unser Verständnis der Gefahren von Hoch energiereichen Batterien nicht überholen. Wie Dengchao Han und seine Kollegen demonstrieren, mögen die gefährlichsten Brände diejenigen sein, die man nicht sehen kann.
Diese Forschung wurde durchgeführt von Dengchao Han, Yuanxiang Pei, Zhaoyang Liu, Songtao Liu, Huaibin Wang, Junli Sun, Yonglu Wang und Yu Han an der China People’s Police University, Langfang, Hebei, China. Sie wurde veröffentlicht in Energy Storage Science and Technology, Vol. 13, No. 11, November 2024, pp. 4133–4142. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0447.