Umfassend informiert: Batteriebrände und Batteriedefekte

Das Wissen rund um Batteriebrände und Batteriedefekte

Nikolaus Mayerhofer, Patrick Schabus, Peter Bednarik

Im Gespräch mit Personen, die noch wenig Erfahrung mit Elektrofahrzeugen hatten, begegnen wir früher oder später immer der Frage nach der Gefährlichkeit von Batterien, insbesondere Explosionen oder nicht-löschbaren Bränden. Doch wie realistisch ein solches Szenario abseits von Hollywood-Filmen wirklich ist, erfährt man in unserem Blogbeitrag. Außerdem klären wir auf, welche Sicherheitsrisiken tatsächlich auftreten können, und welche Schritte jeder EV-Fahrer unternehmen kann, um das Risiko von Batteriedefekten zu minimieren. Eines schon vorweg: Viel wichtiger als die Frage: "Wird meine Batterie abbrennen?" ist die Frage: "Wie kann ich Schäden an meiner Batterie verhindern, um alle potenziellen Sicherheitsrisiken zu reduzieren?" Denn die Wahrscheinlichkeit für einen Brand ist deutlich geringer als bei einem Verbrenner.

Wie kann es zum Brandfall kommen?

Bevor es zu einem Brand einer Batterie kommen kann, muss davor immer ein „Thermal Runaway“ voraus gehen, also eine außer Kontrolle geratene Überhitzung einer Zelle. Diese kann durch verschiedene Auslöser verursacht werden, wie vor allem durch Kurzschlüsse, Überladungen und thermische Überlastungen. Kurzschlüsse können durch mechanische Beschädigung (z.B. Metalldorn durch die Zelle), Fertigungsfehler und chemische Prozesse (z.B. Dendriten Bildung) ausgelöst werden. Zu thermischer Überlastung kann es bei fehlender oder beschädigter Kühlung oder extremer Belastung bei hoher Umgebungstemperatur kommen. Während dieses „Thermal Runaway“ beginnen sich die Bestandteile der Zelle exotherm zu zersetzen, d.h. es entsteht immer mehr Hitze. Sobald diese nicht mehr abgeführt werden kann, übersteigt der Druck in der Zelle die Belastungsgrenze und es kommt zum sogenannten „Venting“. Dabei tritt der verdampfte Elektrolyt aus und wenn die Temperatur dessen Flammpunkt übersteigt, kann er sich entzünden. In der Realität sind die Batterien jedoch sehr gut gegen einen solchen „Thermal Runaway“ geschützt. Das „Battery Management System“ (BMS) schützt die Batterie zuverlässig vor Überladung und thermischer Überlastung (z.B. reduzieren der Leistung bei Schnellladung). Durch genaueste Endkontrollen in der Fertigung ist die Defektquote gering und durch entsprechende strukturelle Verstärkungen ist die Batterie selbst bei Unfällen so gut geschützt das es zu keinen bedrohlichen mechanischen Beschädigungen kommt. Aber je älter Batterien und ihre Steuergeräte werden, umso wichtiger wird ihre regelmäßige Überprüfung.

Eine Explosion wie im Action Film – die größte Befürchtung
Jeder kennt die Szene – das Auto wird bei einer gigantischen Explosion in die Luft gejagt. Zu einer solchen Detonation kommt es in der Realität aber nicht – beginnt das Elektrolyt in der Zelle zu brennen, kommt es zuerst zu einer starken Rauchentwicklung, erst Minuten später entstehen die ersten Flammen, die sich zu einem starken Brand entwickeln können, das Fahrzeug wird dabei aber nicht in die Luft gesprengt.

Welche Maßnahmen können ergriffen werden, um diesem Problem entgegenzuwirken?

Das BMS hat eine Reihe von Aufgaben, unter anderem sollte es sicherstellen, dass die Zellen zu jedem Zeitpunkt denselben Ladezustand haben. Ist dies nicht der Fall, kommt es einerseits zu einer Minderung der Reichweite, andererseits kann es auf ein Problem des Steuergerätes oder der Batterie hindeuten. Altert eine Zelle schneller als die anderen, können die Differenzen irgendwann nicht mehr durch das BMS ausgeglichen werden. Reduzierte Reichweite oder geringere Ladeleistung sind die ersten Zeichen, dass mit der Batterie etwas nicht in Ordnung ist. Und welche weiteren Anzeichen gibt es?

Klare Hinweise auf einen Zelldefekt
Es gibt drei Zugänge, an denen Zell- oder Batteriedefekte erkannt werden können, ohne dass die Batterie in einem Labor aufgeschnitten werden muss.

• Spreizung in den Zellspannungen: Je nach Temperatur, Ladezustand und SoH der Batterie können wir anhand der Spreizung der Zellspannungen Auffälligkeiten in der Batterie oder dem BMS detektieren.
• SoH-Abweichungen:

• • Niedriger SoH: auch ein auffällig starker SoH-Verlust kann ein Anzeichen für einen Zelldefekt sein (z.B. Lithium Plating). Zellen, deren Gesundheitszustand zu weit unter der Angabe des Herstellers liegen (z.B. Hersteller garantiert 70%, SoH liegt jedoch unter 60%), können zur Gefahr für den Fahrbetrieb werden vor allem wenn der SoH nicht dem Alter bzw. der Laufleistung des Fahrzeuges entspricht.
  • SoH-Streuung: Wenn sich der Zustand der Zellen stark unterscheidet, kann dies bei neuen Fahrzeugen auf Fertigungsfehler hindeuten. Bei älteren hingegen auf eine nicht ausgeglichene Belastung der Zellen und damit zu einem erhöhten Risiko von Überlastung der gealterten Zellen führen.
• Abweichungen des Innenwiderstands:
  • Erhöhter Innenwiderstand: In Abhängigkeit von Temperatur, Ladezustand und
    Alter der Batterie kann durch Ermittlung der Zellinnenwiderstände auf Zelldefekte geschlossen werden.
  • Spreizung im Innenwiderstand: Bei optimaler Alterung der Zellen altern diese gleichmäßig in Bezug auf Kapazitätsverlust und Innenwiderstandsanstieg. Kann bei einzelnen Zellen ein deutlich stärkerer Anstieg des Innenwiderstands ermittelt werden ist dies ein Anzeichen für Fertigungsfehler.

Aber auch die nicht mit elektrischen Signalen detektierbaren Zelldefekte treten auf. Diese können nur in einem Labor identifiziert werden, indem die Zelle gespalten und unter dem Mikroskop analysiert wird.

Sicherheitsrisiko bei neuen EVs
Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass eine neue Zelle zu brennen beginnt. Es besteht allerdings die Möglichkeit, dass ein Zelldefekt bereits bei der Herstellung entsteht und bei dem „End-of-Line-Testing“ des Herstellers nicht entdeckt wird. Wird die defekte Zelle dann einer extremen Belastung, wie dem Schnellladen, ausgesetzt, kann die enorme Hitze dabei einen Zellinternen Kurzschluss bewirken.

„Und was soll ich jetzt tun?“

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Die Brandlöschung von Elektrobatterie - ein massives Problem
Wenn der Brand bereits gelöscht wurde, kann sich dieser erneut selbst entfachen. Das liegt daran, dass immer noch genügend Energie in der Zelle gespeichert ist, damit sich der Prozess verselbstständigt und wieder von vorne beginnt. Fahrzeuge müssen im Brandfall daher z.B. in einem Wassertank gelagert werden, bis alle Zellen vollständig entladen sind und keine Energie mehr vorhanden ist.
Eine weitere Methode ist, die Batterie bewusst kontrolliert, aber vollständig abbrennen zu lassen. Der entscheidende Vorteil besteht darin, eine erneute Entfachung dadurch zu unterbinden und das abgebrannte Fahrzeug nicht permanent überwacht werden muss.