Der Wandel der automobilen Antriebstechnik hin zu erneuerbaren Energiequellen, vor allem in Form der Elektromobilität, ist in vollem Gang. Das Angebot an teil- oder vollelektrifizierten Serienfahrzeugen wächst, mit einer dichter werdenden Ladeinfrastruktur nimmt auch die Akzeptanz auf Seiten der Verbraucher zu. Spätestens ab 2020 erwartet etwa das Brancheninstitut CAM einen starken Anstieg des Absatzes auf den wichtigsten Automobilmärkten, bis 2030 soll demnach der E-Mobility-Marktanteil bereits 25 bis 40 Prozent erreichen. Ähnliche Wachstumswerte prognostiziert das IHS-Institut: Von 493.000 E- und Hybridfahrzeugen, die 2017 europaweit produziert wurden, wird demnach die Fertigung auf rund 2,5 Millionen Einheiten im Jahr 2022 wachsen.

Wärmemanagement der Batterie rückt in den Fokus

Insbesondere die kontinuierliche Steigerung von Effizienz und Leistung hat Anteil an dieser wachsenden Akzeptanz. Höhere Reichweiten der Elektromobile sind aber nur möglich mit leistungsstärkeren Batterien sowie mit höheren Packdichten der Energiespeicher. Damit rückt gleichzeitig die Batteriesicherheit bei der Weiterentwicklung elektrifizierter Antriebe immer stärker in den Fokus. Denn mit einer zunehmenden Energiedichte steigen auch die Anforderungen an eine effiziente Batteriekühlung und die Batteriesicherheit. Die angestrebte Erhöhung der Energiedichte in Lithium-Ionen-Batterie-Packs für Elektrofahrzeuge führt zu immer höheren Anforderungen an das Packungsdesign. Wesentlich ist dabei insbesondere das Wärmemanagement während des Betriebs, das mechanische Management der reversiblen und irreversiblen Zelldilatation sowie das Sicherheitsniveau bei Unfällen oder einem spontanen Zellversagen.

Der Thermal Runaway

Bild 1: Ein elektrischer Kurzschluss im Lithium-Ionen-Akku in Elektrofahrzeugen kann eine Kettenreaktion auslösen. Der Elektrolyt entzündet sich und kann zum Brand oder zur Explosion der Batterie führen.

Bild 1: Ein elektrischer Kurzschluss im Lithium-Ionen-Akku in Elektrofahrzeugen kann eine Kettenreaktion auslösen. Der Elektrolyt entzündet sich und kann zum Brand oder zur Explosion der Batterie führen. Getty / Filippo Nigro / EyeEm / 3M

Ein elektrischer Kurzschluss im Lithium-Ionen-Akku kann eine Kettenreaktion auslösen. Der Elektrolyt entzündet sich, dadurch kann es zu einem Brand oder einer Explosion der Batterie kommen – bezeichnet als thermisches Durchgehen oder Thermal Runaway (Bild 1). Erfahrungen mit sich selbst entzündenden Litihum-Ionen-Akkus in Smartphone oder E-Zigaretten haben gezeigt, wie sensibel das Thema ist. Dem Brandschutz kommt daher bei der Weiterentwicklung der Fahrzeugbatterien eine zentrale Bedeutung zu. Je größer die Zahl von Elektrofahrzeugen auf der Straße ist, desto größer wird auch das Risiko eines Thermal Runaways – statistisch gesehen sowie im Hinblick auf das reale Alterungsverhalten der Batterie oder bei einem möglichen Unfall.

Neue UN Regularien zur Sicherheit der Fahrzeuginsassen

Passiver Brandschutz im Fall einer thermischen Propagation der Batterie bedeutet daher angewandte Sicherheit für die Fahrzeuginsassen und hat erste Priorität für OEMs und Zulieferer. Aufgrund der Veröffentlichung der Globalen Richtlinie für die Sicherheit von Elektrofahrzeugen UN Global Technical Regulation (GTR 20) rüsten die Automobilhersteller laufende und neue Serienfahrzeuge mit entsprechenden Brandschutzlösungen für den Batteriedeckel aus. Die GTR 20 schreibt nach einem entsprechenden Warnsignal eine Mindest-Verzögerung von fünf Minuten vor, damit die Fahrzeuginsassen bei einem thermischen Durchbrennen der Batterie in diesem Zeitraum noch das Fahrzeug in Sicherheit verlassen können. China hat die Vorgaben der GTR 20 bereits in Länderrecht umgesetzt, Nordamerika und Europa dürften in absehbarer Zeit folgen. Gerade wenn es um sicherheitsrelevante Fragen geht, sollte an weltweit einheitlichen Regelungen ohnehin kein Weg vorbeiführen.

Die UN Global Technical Regulation 20

Grundlage der GTR 20 für die Sicherheit von Elektrofahrzeugen ist das „Übereinkommen über die Annahme einheitlicher technischer Vorschriften für Radfahrzeuge, Ausrüstungsgegenstände und Teile, die in Radfahrzeuge(n) eingebaut und/oder verwendet werden können, und die Bedingungen für die gegenseitige Anerkennung von Genehmigungen, die nach diesen Vorschriften erteilt wurden“, das am 20. März 1958 in der Wirtschaftskommisson für Europa der Vereinten Nationen beschlossen wurde. Bezüglich einer möglichen thermischen Propagation bei Unfall oder Kurzschluss im Batteriepack von Elektrofahrzeugen sieht die Vorschrift derzeit einen Zeitraum von fünf Minuten vor, der den Insassen nach einem Warnsignal bleibt, um das Fahrzeug noch verlassen zu können, bevor ein mögliches Feuer auf das Fahrzeug übergreift. In China ist die GTR 20 bereits in Landesrecht umgesetzt, in Europa ist eine Überprüfung der UN ECE R100-2 innerhalb der Global Road Safety Partnership für Mitte 2019 geplant. Mit der Überführung in Landesrecht wird die Einhaltung der Vorschrift verpflichtend bei der Genehmigung aller neuen Elektrofahrzeuge. Viele Automotive-OEMs berücksichten die GTR 20 bereits und sehen entsprechende Sicherheitsfeatures in kommenden Fahrzeugserien vor. Isolationsmatte verzögert die Brandausbreitung

Bild 2: Eien dünne endothermische Isolationsmatte soll das thermische Durchgehen der nächsten Zelle um mehr als 15 Minuten verzögern oder sogar stoppen.

Bild 2: Eine dünne endothermische Isolationsmatte soll das thermische Durchgehen der nächsten Zelle um mehr als 15 Minuten verzögern oder sogar stoppen. 3M

Auch der Multitechnologiekonzern 3M konzentriert sich im Bereich E-Mobility neben der effizienten Batteriekühlung und der Reichweitensteigerung insbesondere auf das Feld der Batteriesicherheit. Das Unternehmen arbeitet an verschiedenen Lösungen zum Eindämmen einer schnellen Brandausbreitung. So wurde unter anderem eine dünne endothermische Isolationsmatte entwickelt (Bild 2), die das thermische Durchgehen der nächsten Zelle um mehr als 15 Minuten verzögern oder sogar stoppen kann – also deutlich länger als der Zeitraum von fünf Minuten, der laut GTR 20 gefordert wird. Oft müssen Fahrer und Passagiere nach einem Unfall aber erst noch von den Helfern aus dem zerstörten Auto befreit und geborgen werden. Daher kann jede weitere Minute Verzögerung, wie sie durch die Isolationsmatte angestrebt wird, lebensrettend sein. Erste Tests mit der Matte sind sehr vielversprechend verlaufen.

Durchbrennen des Batteriedeckels verhindern

Bild 3: Um das Durchbrennen des Aluminiumdeckels der Batterie zu verhindern, hat 3M eine hochtemperaturbeständige, leichte keramische Fasermatte entwickelt.

Bild 3: Um das Durchbrennen des Aluminiumdeckels der Batterie zu verhindern, hat 3M eine hochtemperaturbeständige, leichte keramische Fasermatte entwickelt. 3M

Bei einer weiteren Neuentwicklung handelt es sich um eine hochtemperaturbeständige, leichte, verformbare und hochfeste keramische Fasermatte, die das Durchbrennen des Aluminiumbatteriedeckels verhindert (Bild 3). Beide Entwicklungen werden mit deutschen Automobilherstellern und verschiedenen Forschungsinstituten vorangetrieben und in Thermal-Runaway-Versuchen mit Hochenergiezellen überprüft. Derzeit befinden sich die neuen Materialien in intensiven Erprobungen, die gemeinsam mit Herstellern und Zulieferern erfolgen. Die Einführung der Produkte ist ab 2020 geplant. 3M verfügt darüber hinaus über ein umfassendes Produktportfolio für die elektrische Isolation und den Flammschutz von Batteriekomponenten.

Zukünftige Perspektiven für die Batteriesicherheit

Die stetige Verbesserung der Batteriesicherheit wird durch länderspezifische sowie globale Regularien weitergetrieben. Mit GTR 20 ist in dieser Hinsicht die erste Phase abgeschlossen; technologische Lösungen, die das Durchbrennen der Batterie wie gefordert verzögern, kommen in absehbarer Zeit in Serie. In der Folge dürften sich weitere Forschungsaktivitäten und daraus resultierend weitere Regularien mit Themen wie der thermal Propagation in Li-Ionen-Batterien, den Auswirkungen einer möglichen Wasserexposition sowie dem Management von Abgasen bei einem Batterieausfall beschäftigen. Das wichtigste Ziel dabei lautet, auch bei einer steigenden Energiedichte der Batteriezellen und steigender Batterieleistung die optimale Sicherheit der Fahrzeuginsassen zu gewährleisten. Daran werden Automobilhersteller, ihre Entwicklungspartner und Zulieferer in den nächsten Jahren weiter intensiv arbeiten.