Was passiert, wenn die Batterie eines Elektrofahrzeugs durchbrennt?

Wenn die Batterie eines Elektrofahrzeugs durchbrennt, ist dies typischerweise auf ein Phänomen zurückzuführen, das als „thermisches Durchgehen“ bezeichnet wird. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich um eine Kettenreaktion, die beginnt, wenn eine Zelle in der Batterie aus irgendeinem Grund überhitzt, häufig aufgrund äußerer physischer Schäden, Überhitzung oder Überladung (sogenannte „äußere Schäden“). Manchmal kann es durch ein internes Problem wie einen Herstellungsfehler oder einen Kurzschluss innerhalb der Batteriezelle ausgelöst werden (sogenannte „interne Sorgen“).

Eine brennende Batterie eines Elektrofahrzeugs kann besonders besorgniserregend sein, da sich die Batterien in Elektrofahrzeugen im Gegensatz zu einem herkömmlichen Auto mit Verbrennungsmotor häufig über die gesamte Länge des Fahrzeugs erstrecken. Sobald eine Zelle in einem Batteriepaket eines Elektrofahrzeugs Feuer fängt, kann die Hitze dazu führen, dass auch benachbarte Zellen Feuer fangen, was zu einer Kettenreaktion führt, die schnell die gesamte Batterie und möglicherweise das gesamte Fahrzeug verschlingen kann.

Erschwerend kommt hinzu, dass der in heutigen Elektrofahrzeugen am häufigsten verwendete Batterietyp, die Lithium-Ionen-Batterie, brennbare organische flüssige Elektrolyte enthält. Dadurch sind diese Batterien anfälliger dafür, Feuer zu fangen und zu explodieren, wenn sie beschädigt oder unsachgemäß behandelt werden. Darüber hinaus besteht ein besonderes Risiko, das als „Lithiumdendriten“ bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um winzige, nadelartige Vorsprünge, die sich während des Ladevorgangs auf der Anode bilden können. Wenn diese Dendriten groß genug werden, können sie den Separator durchdringen, einen Kurzschluss verursachen und möglicherweise zu einem thermischen Durchgehen führen.

Daher sind die Integrität der Batteriestruktur und die Qualität der Separatoren entscheidende Faktoren für die Gewährleistung der Sicherheit einer Elektrofahrzeugbatterie. Daher werden Qualitätsbatterien vor Verlassen des Werks verschiedenen Belastungstests unterzogen, darunter einem „Durchschlagstest“, der einen Kurzschluss simuliert, der durch die gleichzeitige Beschädigung der positiven und negativen Elektroden und des Separators verursacht wird.

Dennoch ist es wichtig zu beachten, dass thermisches Durchgehen bei Elektrofahrzeugen relativ selten vorkommt und viele Hersteller, Forscher und Institutionen intensiv daran arbeiten, die Sicherheit dieser Batterien weiter zu verbessern. Ein Ansatz ist die Entwicklung von Festkörperbatterien, die den brennbaren flüssigen Elektrolyten durch einen nicht brennbaren Feststoff ersetzen. Allerdings befinden sich diese Batterien im Jahr 2023 noch weitgehend im Forschungs- und Entwicklungsstadium.

Anfang August 2023 kollidierte ein NIO ES8 mit einer Straßensäule in Zhejiang, China, ging innerhalb von Sekunden in Flammen auf und forderte das Leben des Fahrers. Der Vorfall wird noch untersucht. Nur wenige Tage zuvor, Ende Juli, kollidierten ein Tesla Model Y und eine Audi-Limousine in Dongguan, Guangdong. Der Tesla verlor die Kontrolle, prallte gegen eine Leitplanke und ging in Flammen auf.

Spulen wir etwas weiter zurück, finden wir eine Batteriewechselstation von NIO AUTO in Jiangmen, Guangdong, in Flammen. Die Ursache? Die Batterie eines NIO-Benutzers, bei der aus der Ferne festgestellt wurde, dass sie durch äußere Kräfte beschädigt wurde, fing bei der Inspektion nach der Rückkehr zur Station Feuer.

Dies sind die Albtraumszenarien, die sich viele Benzin-Enthusiasten, die sich gegen die Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs) wehren, vorgestellt haben und die am schwersten zu lindern sind: die Sicherheit von Elektrofahrzeugbatterien. Diese Angst ist nicht unbegründet; Batteriebrände können bei Elektrofahrzeugen alarmierender sein als bei herkömmlichen Autos. Beispielsweise ist die Batterie eines Elektrofahrzeugs im gesamten Fahrzeug integriert, sodass es im Brandfall zu einer vollständigen Verbrennung kommen kann. Noch beunruhigender ist, dass Brände herkömmlicher Fahrzeuge im Allgemeinen mit Verkehrsunfällen in Verbindung gebracht werden, Elektrofahrzeuge jedoch manchmal im Ruhezustand spontan entzünden können, was die Schlagzeilen noch wichtiger macht.

Häufige Gründe für diese „Thermal Runaway“-Vorfälle lassen sich in zwei Kategorien einteilen: externe Bedrohungen und interne Sorgen. Zu den externen Bedrohungen gehören mechanischer Missbrauch, thermischer Missbrauch und elektrischer Missbrauch, typischerweise aufgrund von Unfällen, hohen Temperaturen, Überladung oder Entladung. NIO berichtete nicht nur, dass es bei schweren Kollisionen bei Verkehrsunfällen Feuer fing, sondern berichtete auch über eine Selbstentzündung eines ES8-Elektrofahrzeugs im Jahr 2019 während der Wartung aufgrund eines Kurzschlusses, der durch die Kompression der Batteriepaketstruktur nach einem Aufprall auf das Fahrgestell verursacht wurde. Fast alle anderen chinesischen Elektrofahrzeughersteller haben ähnliche Fälle gemeldet.

Die sogenannten inneren Sorgen sind vielfältig. Aktuelle Lithium-Ionen-Batterien, die hauptsächlich aus positiven und negativen Elektroden, Separatoren und Elektrolyten bestehen, bergen ihre ganz eigenen Gefahren. Das Phänomen der Lithiumplattierung tritt beispielsweise auf, wenn sich innerhalb der Batterie bewegende Lithiumionen auf der dünnen Membran zwischen den Elektroden ansammeln und Lithiumdendriten bilden. Diese Dendriten können die Membran durchdringen, was zu einem Kurzschluss und einem schnellen Wärmestau führt.

Daher sind die Integrität der Batteriestruktur und die Qualität des Separators entscheidende Faktoren für die Batteriesicherheit. Hochwertige Batterien werden strengen Tests unterzogen, bevor sie das Werk verlassen, einschließlich eines „Nagelpenetrationstests“ (obwohl dieser nicht allgemein vorgeschrieben ist), der darauf abzielt, einen Kurzschluss zu verhindern, indem die Integrität der positiven und negativen Elektroden und des Separators beschädigt wird.

Vor diesem Hintergrund scheint der natürliche Weg zur Verbesserung der Sicherheit klar: Ersetzen Sie den brennbaren organischen Elektrolyten durch ein unbewegliches, nicht leckendes, thermisch stabiles festes Material. Festkörperbatterien sind hinsichtlich ihrer Sicherheit und Energiedichte zur offensichtlichen „nächsten Station“ im Fahrplan der Batterieindustrie geworden. Der Weg zu einer breiten Akzeptanz erwies sich jedoch als schwierig. Obwohl das US-amerikanische Oak Ridge National Laboratory bereits 1990 die erste Festkörperbatterie entwickelte, bestehen weiterhin anhaltende technologische Hindernisse.

In der Welt der Festkörperbatterien gibt es drei gängige Systeme für Festelektrolytmaterialien: Polymere, Oxide und Sulfide. Jedes hat seine eigenen Stärken und Schwächen, und alle müssen sich mit den Herausforderungen der Produktionsskalierbarkeit und Qualitätskontrolle auseinandersetzen, die mit der Kommerzialisierung einhergehen.

Skeptiker spotten über die geringere Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter aufgrund der schlechten Leistung der aktuellen Flüssigbatterien bei niedrigen Temperaturen, während auch das potenzielle Risiko einer Verbrennung beim Laden im Sommer Anlass zur Sorge gibt. Dies unterstreicht den Bedarf an einer sichereren und effizienteren Batterie, die den Anforderungen aller Jahreszeiten gewachsen ist.

Experimente mit 3D-Druck zur Schaffung komplexer Strukturen für Festelektrolyte haben sich als vielversprechend erwiesen. Forscher der Universität Oxford haben beispielsweise mithilfe des 3D-Drucks ein dreidimensionales Gerüst konstruiert, das mit einem Festelektrolyten gefüllt ist, um die mechanische Festigkeit zu verbessern und ein leichtes Brechen zu verhindern. In ähnlicher Weise nutzt das US-Unternehmen Sakuu die Binder-Jetting-Technologie, um benötigte Elektrodenmaterialien und Festelektrolytpulver auf einem Substrat abzuscheiden und sie mit flüssigen Reagenzien zu „verfestigen“.

Während der 3D-Druck eine Möglichkeit bietet, die Kontaktfläche der Grenzfläche zu vergrößern und die Materialporosität zu kontrollieren, müssen noch große Hürden überwunden werden, bevor diese experimentellen Techniken in eine praktikable, massenproduzierte Lösung umgewandelt werden können. Das Ausbalancieren von Leistung und Kosten, das Erreichen von Skalierbarkeit und die Einhaltung strenger Qualitätskontrollstandards sind die drohenden Herausforderungen, die dazu führen, dass diese vielversprechenden Lösungen im Labor und nicht auf der Straße bleiben.

Während wir in eine zunehmend elektrische Zukunft rasen, halten die damit verbundenen Risiken und das ständige Streben nach verbesserten Sicherheitsmaßnahmen die Branche im Wandel. Trotz der gewaltigen Herausforderungen geht der Marsch hin zu einer sichereren und effizienteren Elektrofahrzeugindustrie weiter, angetrieben durch unermüdliche Innovation und Engagement für eine nachhaltige Zukunft. Wie immer wird der New Yorker diese Entwicklungen aufmerksam verfolgen und bereit sein, Einblicke und Analysen zur bevorstehenden Reise zu geben.