I Spy Science: Warum brennen Batterien?

Warum brennen Batterien? Und was steckt dahinter? 

Stellt euch vor, ich habe ein Handy oder ein E-Bike und plötzlich fängt der Akku Feuer. Klingt wie ein schlechter Film, oder? Leider passiert das in der Realität immer wieder. Aber warum brennen Batterien eigentlich? 

Mein Name ist Jörg Moser und ich leite das Battery Safety Center Graz, unser Forschungslabor für Batteriesicherheit am Institut für Fahrzeugsicherheit an der TU Graz. Wir testen dort unterschiedliche Batterien bis an ihre Grenzen und können so für mehr Sicherheit sorgen. 

Besonders wenn man an Elektromobilität denkt, dann fallen einem viele Stichwörter ein. Zum Beispiel ist das Thema Netzstabilität ein Thema. Ebenfalls eng damit verbunden ist das Thema Nachhaltigkeit. Sehr häufig geht es aber um Sicherheit. Wir denken schnell an brennende oder explodierende Batterien und fürchten, dass unser Elektroauto nicht sicher ist. Um zu verstehen, wie eine Batterie überhaupt brennen kann, müssen wir uns anschauen, wie sie aufgebaut ist. Keine Sorge, ohne komplizierte Chemie. 

Stellt euch die Batterie wie ein Sandwich vor, das aus mehreren Schichten besteht. Die Kathode als Pluspol gibt der Zellchemie auch meist ihren Namen. Beispielsweise besteht eine NMC-Zelle aus einer Kathode mit den Materialien Nickel, Mangan und Kobalt in unterschiedlichsten Verhältnissen. Die Anode ist der Minuspol, ebenfalls eine Metallschicht, meistens aus Graphit. Das Elektrolyt ist eine Flüssigkeit oder ein Gel, das zwischen den zwei Polen liegt. Es sorgt dafür, dass sich die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen hin und her bewegen können. Der Separator ist eine ganz wichtige Schicht. Sie liegt zwischen Plus- und Minuspol und verhindert, dass sich die beiden direkt berühren. Denn das würde einen Kurzschluss verursachen. Aber damit das alles funktioniert, müssen Anode und Kathode sauber voneinander getrennt bleiben. Wenn der Separator beschädigt wird, etwa durch einen Sturz oder einen Riss, Hitze oder Alterung, kann sich der Pluspol und der Minuspol berühren. Das führt zu einem Kurzschluss im Inneren der Batterie. Dabei fließt an einer sehr kleinen Stelle ein sehr hoher Strom und genau das kann sie sehr schnell sehr heiß machen, im schlimmsten Fall bis zur Selbstentzündung. Noch dazu ist der Elektrolyt in vielen Batterien leicht entflammbar. Also wenn einmal ein Kurzschluss  entsteht, kann das ganze Batteriesandwich innerhalb von Sekunden in Flammen aufgehen. Was kann daran schuld sein, dass eine Batterie brennt? Mechanische Belastungen können die Batterie kaputt machen oder deformieren. Zum Beispiel, wenn ein Akku  runterfällt, gequetscht wird oder einen Riss bekommt, kann es im Inneren zu einem internen Kurzschluss kommen. Das kann einen Brand auslösen. Im Falle eines Elektrofahrzeuges kann das bei einem Unfall oder einem Fahrzeugcrash passieren. Das ist der sogenannte Thermal Runaway oder das thermische Durchgehen. Übrigens einer unserer Forschungsschwerpunkte am Institut für Fahrzeugsicherheit. 

Sind Elektroautos wirklich so gefährlich?

Das führt uns jetzt zur eigentlichen Frage. Sind Elektroautos wirklich so gefährlich? Statistisch gesehen ist die Antwort ganz klar: Nein, sind sie nicht. 

Elektroautos fahren jetzt schon längere Zeit auf unseren Straßen und es liegen gute statistische Daten vor. In den USA zum Beispiel wurde die Häufigkeit und die Art von Fahrzeugbränden verglichen. Bei 100.000 zugelassenen Verbrennerfahrzeugen kommt es zu rund 1.500 Bränden. Bei den Hybridfahrzeugen sind es sogar ca. 3.500 Brände. Bei der gleichen Zahl zugelassener Elektrofahrzeuge hingegen wurden innerhalb eines Jahres nur 25 Brände erfasst. Die Statistik spricht also eine ganz klare Sprache und die Sicherheitsstandards von Elektrofahrzeugen sind sehr hoch. Aber was machen meine Kolleginnen und Kollegen und ich dann eigentlich noch?

Brände sind bei Elektrofahrzeugen nicht häufiger als bei Verbrennern. Sie verlaufen aber ganz anders. Lithium-Ionen-Akkus können extrem heiß werden. Wir sprechen von über 1.000 Grad Celsius und sind schwer bis gar nicht zu löschen. Nur kühlen hilft. Zum Beispiel, indem das ganze Fahrzeug komplett im Wasser versenkt wird, um die thermische Reaktion zu stoppen. Eine Autobatterie in einem Elektroauto besteht meist aus mehreren einzelnen Batteriezellen. Diese können nacheinander in Flammen aufgehen. Das nennt man thermische Propagation. Elektrofahrzeuge können somit sehr lange brennen. Daneben besteht auch noch die chemische Gefahr durch das Elektrolyt und natürlich die Hochvoltgefahr. 

Wie wir in unseren Versuchen festgestellt haben, halten Autobatterien bzw. Lithium-Ionen-Zellen sehr viel aus.
(Jörg Moser)

Aber abseits der Gefahren, was hält eine Batterie denn eigentlich aus? Wie wir in unseren Versuchen festgestellt haben, halten Autobatterien bzw. Lithium-Ionen-Zellen sehr viel aus. Ich möchte euch das anhand einer zylindrischen Zelle zeigen. Es handelt sich dabei um ein Standardformat, eine 18650er Rundzelle. 18 bedeutet der Durchmesser und 650 bedeutet 65 mm, also 6,5 cm Länge. Tesla als Beispiel verwendet dieses Format, auch in dieser Größe. Diese Batteriezelle haben wir mit einem großen Gewicht belastet und geschaut, was sie so aushalten kann. Die Antwort ist beeindruckend. Auf eine solche Batteriezelle kann man ein ganzes Fahrzeug mit ca. ein bis vier Tonnen Gewicht stellen, bevor sie unter dem Druck zu brennen beginnt. Spannend ist aber, dass es von mehreren Faktoren abhängt, wie viel die Batteriezelle ertragen kann. Etwa von der Richtung, aus der das Gewicht auf die Zelle drückt, wie schnell gedrückt wird und wie stark die Batteriezelle geladen ist. Sehr spannend ist auch, wie sich das Verhalten der Batterie verändert, wenn sie älter ist. Wir sagen gerne, dass die Batterie quasi mehr ein Lebewesen ist, dass ein Verhalten über die Zeit ändert und das wieder davon abhängt, wie sie vorher behandelt wurde. Das sind einige unserer wichtigsten Forschungsfelder. 

Zusammenfassend kann man also sagen, Batterien sind ein wichtiger Teil unseres Alltags. Aber wir sollten sie mit Respekt behandeln. Wenn wir sie richtig nutzen, sind sie sicher, sogar sehr sicher. Doch Missbrauch oder schlechte Qualität können zu gefährlichen Bränden führen. Wichtig ist, die Batterie und ihr Verhalten in unterschiedlichsten Situationen zu verstehen und Vorhersagen treffen zu können. So können wir optimieren und die Nutzung so sicher wie möglich machen. Dabei ist das Verhalten einer Batterie im Detail sehr komplex und stellt uns immer wieder vor neue Forschungsfragen. Unsere Forschung soll aber dazu beitragen, Elektrofahrzeuge, aber auch Energiespeichersysteme generell noch sicherer zu machen und somit unseren Beitrag zur grünen klimaneutralen Mobilitätswende zu leisten.