Talk Science to Me #58: Destroying Batteries for Greater Safety

Podcast in German only.

Was passiert, wenn ich die Batterie eines E-Autos gegen eine Wand krachen lasse? Unter anderem das untersucht Jörg Moser und sein Team am Battery Safety Center der TU Graz.Und das wird er uns heute auch im Interview erzählen. Mein Name ist Birgit Baustädter und ihr hört Talk Science to Me, den Wissenschaftspodcast der TU Graz. 

Lieber Jörg, vielen Dank, dass du heute hier bist und mit mir über deine Forschung sprichst. Es geht um die Sicherheit von Batterien. Es wäre toll, wenn du dich kurz vorstellen könntest und auch kurz erzählen, woran du arbeitest.

Jörg Moser: Ja, schönen guten Tag, danke für die Einladung, freut mich sehr hier zu sein. Mein Name ist Jörg Moser, ich bin Senior Project Scientist am Institut für Fahrzeugsicherheit, leite dort das Battery Safety Center, unser Forschungslabor für Batteriesicherheit, das auch am Campus Infeld ist und am Institut eingegliedert ist. Und befasse mich dort hauptsächlich mit dem Verhalten von Batterien in kritischen Situationen, beispielsweise auch im Fahrzeugcrash.

Wie muss man das vorstellen? Was macht ihr dort mit den Batterien?

Moser: Im Prinzip geht es darum, dass wir das Verhalten der Batterie verstehen, während wir diese unterschiedlichsten kritischen Lastfällen aussetzen. Das bedeutet als einfaches Beispiel im Fahrzeugcrash, einer mechanischen Belastung, einer Schockbelastung, einer sehr starken Verzögerung.Und wir wollen verstehen, was mit der Batterie in diesen kritischen Situationen passiert. Das heißt aber auch, wir wollen feststellen, was sie aushält, wie stark man sie verzögern kann, wie tief man intrudieren kann, auch, welche elektrischen Lasten man aufprägen kann, bevor es zu einem kritische Event kommt. An sich ist bei uns immer ein Event, das wir sehr gern oft als Thermal Runaway bezeichnen. Sprich, es kommt zu einer Erhitzung der Batterie, die dann am Anschluss in einem Batteriebrand resultiert. Und das ist natürlich in jeder Applikation, sei es jetzt beispielsweise ein stationärer Speicher, aber auch natürlich im mobilen Sektor, in der Automobilindustrie als Beispiel, ein Event, das man tunlichst vermeiden möchte. Und da geht es darum, wenn wir wissen, was wir einer Batterie zumuten können,dann können wir die ganze Systeme optimal auslegen. Und mit dem befassen wir uns im Battery Safety Center, aber auch als Forschungsschwerpunkt am Institut für Fahrzeugsicherheit. 

Aber wie macht ihr das genau? Also wie belastet ihr die Batterien?

Moser: Ich kann dir da ein Beispiel geben aus der Mechanik, das heißt, auch wieder sehr stark die Referenz zum Unfall, zur mechanischen Belastung. Wir schauen uns beispielsweise an, wie stark kann man mit einem Gegenstand, mit einer Geometrie, mit einem Impaktor eine Batterie intrudieren, das heißt man drückt ganz salopp gesagt mit irgendwas in die Batterie und wir schauen uns an, wie tief kann man reindrücken und mit wie viel Kraft kann man reindrücken, bevor es beispielsweise zu einem internen Kurzschluss kommt. Und dieser interne Kurzschluss resultiert dann in einem Thermal Runaway. Und das schauen wir uns an. Das heißt, wir gehen über diese Grenzen der Batterie. Nicht, weil wir jetzt Batterien zerstören wollen. Ehrlicherweise, natürlich, was zerstören ist zu einem gewissen Teil auch immer spannend und lustig. Aber uns geht es hauptsächlich darum, was hält die Batterie aus, bevor es zu etwas Kritischem kommt. Und da muss man sagen,das haben wir jetzt auch aus der Vergangenheit sehr stark auch festgestellt, eine Batterie an sich, die haltet schon sehr viel aus. Und das ist was, was uns auch vorantreibt, das besser zu verstehen, um alles drum herum, um die Batterie besser auslegen zu können.

Gerade bei der E-Mobilität hat man immer so das Gefühl, Batterien sind gefährlich, die können eben explodieren, so wie ihr das auch macht. Ist das wirklich so? Also sind E-Fahrzeuge mit Batterienbetrieben unsicherer als Verbrennungskraftfahrzeuge?

Moser: Also ganz generell auch zum Gefahrenpotenzial von Batterien. Also wenn ich deine Frage jetzt in zwei separate Fragen auseinander dividiere. Eine Gefahr ist die thermische Gefahr. Das heißt, dieses thermische Durchgehen, wo es dann zu einer sehr starken Hitzeentwicklung kommt, das auch sehr lange passieren kann. Das heißt, dass eine Batterie in Summe, also ein ganzes Pack sehr lange brennt, sehr heiß brennt, das ist ein Risiko. Das zweite ist natürlich, bei einem Batteriepack im Fahrzeug handelt es sich immer um eine Hochvoltkomponente. Das heißt, wir haben dort auch sehr hohe Spannungen, auch sehr hohe Ströme. Das heißt, du hast eine sehr hohe elektrische Gefahr. Das dritte ist die chemische Gefahr. Es sind in so einer Batterie auch Stoffe, die nicht ungefährlich sind. Und eine Batterie an sich hat auch ein sehr hohes mechanisches Risiko. Sprich, gerade in einem Fahrzeug ist die Batterie an sich ein sehr schweres Bauteil. Auch das kann ein gewisses Risiko mit sich bergen. Dann ist es so, eine Batterie, und von der Kritikalität durchläuft eine Batterie sehr viele unterschiedliche Stufen. Das heißt, per se brennt eine Batterie nicht immer, sie kann auch rauchen. Das heißt, es gibt eine Klassifizierung in unterschiedlichen Hazard-Levels von 0 bis 7, wobei aber auch dort klassifiziert wird, eine Batteriereaktion kann einfach nur ein Rauchen sein, kann eine leichte Rauchentwicklung sein, kann aber auch ein Batteriebrand sein im schwersten Fall und geht eben auch um alle Klassen abzubilden bis hin zur Explosion, wobei das letzte, das kritischste eher das seltenere ist.

Zur zweiten Frage, die du gestellt hast hinsichtlich statistischer Auswertung und wie sicher sind Elektrofahrzeuge, auch hier wieder eine zweigeteilte Beantwortung. Einerseits bezogen auf standardisierte Crash-Tests, wo man Fahrzeuge auch im Hinblick auf ihre Sicherheit generell untersuchen kann und auch nachvollziehen kann, dort schneiden elektrische Fahrzeuge sehr, sehr gut ab. Das heißt für Insassen, für generelle Schutzsysteme, beispielsweise bei Ränkebewertungen, sind Elektrofahrzeuge auch in den Klassifizierungen sehr weit vorne. Im Hinblick auf den Brand von Elektrofahrzeugen, also die zweite Kategorie, gibt es jetzt mittlerweile auch schon Statistiken, die das sehr gut auswerten, wo statistisch gesehen hervorkommt, dass Elektrofahrzeuge von dem Brandgeschehen her oder von der Wahrscheinlichkeit eines Brandes viel geringer sind als beispielsweise Hybrid- oder klassische Verbrennerfahrzeuge. Das heißt, statistisch gesehen brennen Fahrzeuge sehr wenig häufig im Vergleich zu anderen. Auch normiert, das heißt auch unter Berücksichtigung, dass es auch aktuell gesehen weniger Elektrofahrzeuge im Verkehr gibt als klassische Verbrenner. Das heißt, das wurde dort berücksichtigt. Aber, und das ist das, was auch die Wichtigkeit unserer Forschung bzw. Batterieforschung etwas hervorhebt, wenn eben solche Batterien brennen, dann ist es meist ein sehr kritisches Event. Sprich, Batterien brennen sehr heiß im Batterieverbund, das heißt in seinem ganzen Pack, brennen sie sehr lange aufgrund der thermischen Propagation. Dadurch kann es oft zu Bränden kommen, die mehrere Stunden dauern. Und, das ist auch das Wesentlichste dann für die Rettungskette im Nachhinein: Batterien sind sehr schwer bis gar nicht zu löschen. Das bedeutet, man kann sie nur kühlen. Das bedeutet aber auch, dass wir sehr viel, beispielsweise Wasser von Löschfahrzeugen benötigen. Das heißt, es ist sehr aufwendig, eine Batterie auch im Batteriebrand zu versorgen und in einen sicheren Zustand zu bringen. Und das alles in Summe spielt in die Richtung der Notwendigkeit der Batteriefahrer. 

Jetzt ist ja Brand nicht das einzige, was bei einer Batterie passieren kann, Gott sei Dank. Das ist ja nicht immer der Fall, wenn irgendwas passiert mit dem Elektrofahrzeug. Da gibt es ja davor auch noch Dinge, die vielleicht gar nicht zwingend nur die Batterie betreffen, wenn man jetzt irgendeinen kleineren Crash hat. Untersucht sich das eigentlich auch, was dann mit der Batterie passiert? Also darf ich da dann überhaupt weiterfahren? Was tut sich da?

Moser: Das ist ehrlicherweise sogar der Hauptschwerpunkt unserer Untersuchungen. Das heißt, uns interessiert dieser Event gar nicht so, sondern wir wollen uns anschauen, wie kann ich sicherstellen, dass die Batterie trotz unterschiedlichsten Events über das Leben auch sicher weiterverwendet werden kann. Ich gebe ein Beispiel aus einem Forschungsprojekt aus der Vergangenheit: Wir haben im Battery Safety Center auch in Kombination sehr stark simulationsunterstützt Schockversuche mit Batterien durchgeführt. Das heißt, wir haben sie sehr stark verzögert, wie es eben auch in einem Crash vorkommt, und haben versucht, über elektrische Messmethoden zu detektieren, ob man eben dieses Event auch feststellen kann. Also das heißt nicht nur, ob es kritisch ist, sondern auch, wenn es nicht kritisch ist, ob ich das detektieren kann. Weil es kann ja eventuell auch zu einer Langzeitfolge kommen, das heißt, dass das dann das weitere Leben der Batterie beeinflusst, dass es danach eventuell zu einem kritischen Event kommt. Und deswegen sind wir auch sehr stark übergegangen, als ein Forschungsschwerpunkt sicherheitskritische Events durch unterschiedlichste Methoden zu detektieren während dem Leben. Da ist ein sehr wesentlicher Punkt, und das ist das, was uns aktuell auch sehr stark in der Forschung beschäftigt, dass man diese Messergebnisse in die Simulation bringt. Das bedeutet, generell hast du immer das Problem: Tests dauern sehr lange, sind sehr aufwendig, du kannst nur einen statischen Punkt abtesten und ein gutes Mittel, um da breiter zu werden, breitere Analysen auch durchzuführen, ist eben die virtuelle vSimulation. Wenn du aber jetzt diese ganzen Schwerpunkte mitberücksichtigst, das heißt, dass es immer eine Kombination aus mehreren physikalischen Einflüssen ist, brauchst du sehr stark multiphysikalische Simulationsmodelle. Das heißt, du hast ein Vorhersagemodell, eine Simulation ist immer ein Vorhersagemodell, das die mechanische Antwort eines Systems auf ein mechanisches Event widerspiegelt. Brauchst du genauso auch Simulationsmodelle, die Vorhersage der elektrischen Eigenschaft oder der elektrischen Eigenschaftsveränderung einer Batterie auf ein mechanisches Event widerspiegeln. Das heißt, in die Richtung gehen wir auch aktuell sehr stark. Das ist unter anderem auch deswegen wichtig, weil die Batterie an sich ein sehr stark multiphysikalischer Gegenstand bzw. sehr multiphysikalischer Bauteil ist. einfach Edann das quasi Leben der Batterie zu simulieren und wirklich auch zu schauen, da können unterschiedliche Einflüsse kommen und wenn es zu diesen Einflüssen kommt, dann passiert beim nächsten Einfluss das und das und das und so reagiert sie dann anders. Genau, das ist eben auch das, was wir wollen. Nicht nur das Batterieverhalten vorhersagen zu können am Anfang ihres Lebens. Weil am Ende des Tages ist es so, die Batterie wird irgendwo eingesetzt, die wird irgendwo belastet und die haltet länger als den Start eines Fahrzeugs beispielsweise. Und da sehen wir auch in Zukunft großes Potenzial, die Forschung voranzutreiben, indem wir das generelle oder das ganzheitliche Leben der Batterie betrachten.So wie es du auch gesagt hast: Einflüsse durch, wieder bezogen auf das Fahrzeug, das Fahrverhalten einer Person oder eben nicht kritische Events, wie beispielsweise an kleinen Parkramplern, das Überfahren eines Randsteins, auch das mit zu berücksichtigen in diesen Analysen, dieses Prognosemodell der Batterie noch zu schärfen bzw. zu verbessern.

Ist es jetzt ein Tool, das ihr rein für die Forschung habt, bei euch am Institut oder soll das auch etwas sein, was dann vielleicht einmal, ich weiß nicht, wenn jemand sein E-Auto verkaufen möchte oder so zum Einsatz kommen könnte, um zu überprüfen, ob es noch sicher ist?

Moser: Wir fokussieren natürlich in der Forschung sehr stark auf die Methodenentwicklung. Das heißt, dass wir versuchen, neue Methoden zu entwickeln, das auch in die Anwendung zu bringen, um eben Tools zu liefern, damit Anwender*innen, beispielsweise Fahrzeughersteller*innen, Batteriehersteller*innen die Systeme optimieren kann. Das heißt, wir sind ein sehr anwendungsorientiertes Forschungsinstitut, wo wir in unserer Methodenentwicklung auch die Anwendung versuchen, bestmöglich mitzudenken.

Du hast es schon erwähnt, dass ihr mit externen Anbietern natürlich zusammenarbeitet, die einfach selber ihre Produkte weiterentwickeln können. Aber arbeitet ihr auch mit anderen Forschenden zusammen?

Moser: Sowohl als auch. Das heißt, es ist immer dadurch, dass die Batterieforschung an sich sehr multidisziplinär ist, können wir auch gar nicht alles wissen und können in der Qualität wie es vielleicht andere Forscher auch können. Sprich,Batterieforschung benötigt genauso sehr stark Elektrotechnik, Chemie, Materialforschung. Das geht aber weiter bis hin zur Produktion, bis hin zur Kreislaufwirtschaft, bis hin zum Recycling. Das heißt ja, es ist sehr wichtig interdisziplinär mit anderen Forschern aus anderen Gebieten in Austausch zu gehen und mit denen zu forschen. Das betrifft jetzt aber auch nicht nur wirklich sehr stark gesehen die Detektierung der Batterien an sich, sondern das geht auch sehr stark in Richtung Datenmanagement, Datenspeicher. Wenn man sich multiphysikalische Simulationsmodelle beispielsweise vorstellt, benötigen die auch sehr viele unterschiedliche Datenmengen oder Datenarten, um das Simulationsmodell kalibrieren und validieren zu können. Das heißt, wir sprechen hier nicht mehr von rein mechanischen Daten, von Kräften, von Wegen, sondern auch von elektrischen Daten. Das heißt, wir bekommen sehr viele Datenmengen, die wir miteinander verschneiden müssen, können. Und das bedeutet auch, dass wir in Richtung Informatik, Datenmanagement, Data Mining, wie filtern wir die Daten, wie bereiten wir diese Daten auf, wie stellen wir die zur Verfügung. Das heißt, das ist auch sehr stark in die Informatik getrieben, um auch hier das Ganzheitliche immer zu betrachten.

Ist das etwas, was dich reizt an der Art von Forschung? 

Moser: Ehrlicherweise ist es genau das, was mich daran reizt, dass es immer wieder oder dass du mit sehr vielen unterschiedlichen technischen Aspekten in Berührung kommst. Aber auch, und das ist das nächste was spannend ist, auch sehr interdisziplinär. Das heißt, wir haben in der Vergangenheit auch Forschungskooperationen mit Rechtswissenschafter*innen gehabt. Weil wir auch hier sehen, dass auch dieses Thema die Batterieforschung treiben kann.

Aber auch wirtschaftliche Aspekte sind essentiell. Du hast immer wieder Forschungsgebiete, bei denen du ja auch überprüfen musst, gibt es dazu Businessmodelle. Also auch das ist sehr interessant. 

Aber auch natürlich immer, wenn wir von Batterien reden, ist das Erste, an was wir denken, auch das Thema Nachhaltigkeit. Das heißt, wenn wir in der Forschung bzw. wir in unseren Forschungsergebnissen etwas ändern, neue Themen herausfinden, ist es immer wichtig, auch zu überprüfen, wie wirkt sich das auf die Nachhaltigkeit aus. LC-Analysen, also das heißt, kann ich beispielsweise durch unsere Forschungsergebnisse eine Batterie länger sicher verwenden? Das ist immer unser Ziel. Aber was heißt das am Ende des Tages auch für den CO₂-Fußabdruck einer Batterie? Wenn ich sie verlängern kann, das Leben, ist es automatisch so, dass der gesamtheitliche CO₂-Fußabdruck sich verringert. Auch das muss man berücksichtigen. Geht man dort in die richtige Richtung, verwendet man Materialien, die wirklich nachhaltiger sind, gesamtheitlich. Das heißt, auch das ist ein neuer Ansatz, den wir auch mit berücksichtigen müssen. Und das macht es wirklich spannend.

Das sind die Dinge, die dich heute faszinieren in deiner Forschung. Wo ist denn diese Faszination hergekommen? Warum hast du dich für diesen Weg und diesen Forschungsbereich entschieden?

Moser: Ganz generell komme ich ursprünglich sehr stark aus der klassischen Fahrzeugsicherheit. Also das ist vor ganz langer Zeit etwas, das mich in das Thema getrieben hat. Ich habe immer sehr viel Sinn darin empfunden, Dinge einfach sicherer zu machen. So bin ich generell ins Institut für Fahrzeugsicherheit gekommen. Und von dort eben ist es dann irgendwie passiert, dass ich in die Batteriesicherheit reingekommen bin. Einfach eben aus dieser Interdisziplinarität, aus dem Neuen, weil wir das am Institut schon sehr lange machen. Das bedeutet, wir waren sehr früh dran, ein Forschungsfeld zu bespielen, bevor beispielsweise Elektromobilität so gehypt war. Also wir haben 2010 damit angefangen. Da hat sich noch gar nicht so die Frage über Elektroautos gestellt. Da war das gerade im Kommen. Das heißt, dass wir schon einen relativ guten und tiefen Einblick in die ganze Thematik haben. Und das ist eben was, das auch sehr spannend ist, wenn du da sehr viel Background hast. Die Batterie kann man fast mehr mit einem Lebewesen vergleichen, als mit einem Block Aluminium oder einem Block Kupfer, weil sie eben auf so viele unterschiedliche Einflüsse reagiert. Je nachdem, wie du sie belastest, je nachdem auch wie du sie betrieben hast. Sie hat eine Historie und das ist eben die Herausforderung, die mich auch antreibt, das herauszufinden, was sind denn diese Zusammenhänge, dass ich das verstehe, wie sie jetzt wirklich reagiert, abhängig von diesen unterschiedlichsten Einflüssen.

Du hast jetzt am Anfang gesagt, es ist so die Sicherheit gewesen, die dich interessiert hat, Dinge sicherer zu machen. Jetzt könntest du auch Gebäude sicherer machen zum Beispiel. Es sind aber trotzdem die Fahrzeuge geworden. Was reizt dich da dran?

Moser: Ursprünglich durch den Insass*innenschutz, weil das größte Ziel in der Fahrzeugsicherheit ist immer, den Insass*innen bzw. Verkehrsteilnehmer zu schützen. Und eine Batterie ist gar nicht so unähnlich, weil am Ende des Tages willst du auch sie schützen und es ist nur das passive Schützen der Insass*innen oder der Beteiligten, weil eben du dieses kritische Event vermeiden willst bzw. wenn es irgendwo passiert, das Risiko und die Schwere so stark wie möglich vermindern willst. Das ist eigentlich genau der gleiche Antrieb, den du auch in der Fahrzeugsicherheit hast. Und jetzt mittlerweile ist einfach das Thema immer breiter geworden. Das heißt, wir fokussieren uns jetzt gar nicht mehr nur so rein auf die Sicherheit, sondern auch immer mehr auf den Verschnitt Sicherheit zu Performance, über die Lebensdauer, auf unterschiedliche Einflüsse in unterschiedlichen Applikationen. Und wir sind eben durch das neue Kompetenzzentrum in Kombination mit anderen Uni-Instituten auch viel breiter geworden. Und das ist eigentlich, was sehr spannend ist.

Batterien entwickeln sich ja auch weiter, da kommen neue Materialien, neue Technologien. Könnt ihr auf das reagieren im Zentrum?

Moser: Genau deswegen ist es so wichtig, dass du, wie vorher angesprochen, bei den Simulationsmodellen, egal ob das jetzt eine physikalische Größe abbildet, mehrere oder multi-physikalisch ist, sehr stark darauf achtest, dass diese Modelle transferierbar sind. Das heißt, dass du nicht den Fokus darauf setzt, rückwirkend etwas nachzusimulieren, sondern nach vorne gerichtet. Das bedeutet, dass man beim Modellierungsansatz, beim Entwickeln dieser Modelle, sehr stark darauf achtet, dass sie transferierbar sind auf neue Batterietechnologien. Das Schönste wäre, dass ich nur ein Datenblatt mit wenigen Informationen benötige, um auch damit schon ein Verhalten mit einer gewissen Abbildungsgüte natürlich, das heißt auch, das Ergebnis ist dann mit Abweichungen behaftet, aber bestmöglich auch schon mit so wenig wie möglich Daten in die Zukunft prognostizieren zu können. Und das ist etwas, was uns in Zukunft sicher auf Trab halten wird, diese Modelle zu entwickeln mit dem Hintergrund, gepaart mit der Forschungsfrage, dass es nicht mehr nur eine physikalische Größe abbildet, sondern dass es multiphysikalisch sein soll, muss im Batteriebereich. 

Vielen Dank für das Interview.

Moser: Danke.

Vielen Dank, dass ihr heute wieder zugehört habt. In der nächsten Folge erklärt uns Roland Lorbeck, was eine Ersatzzelle ist und wofür man sie braucht.