Sind Festkörperbatterien sicherer?
Auf den ersten Blick bieten Festkörperbatterien einige Sicherheitsvorteile. Sie verzichten auf den brennbaren flüssigen Elektrolyten und können diesen durch einen nicht brennbaren Festelektrolyten ersetzen. Zudem weisen sie typischerweise einen größeren Betriebstemperaturbereich auf, wodurch ein thermisches Durchgehen durch Zellüberhitzung potenziell unwahrscheinlicher wird. Auch die durch einen externen Heizungsausfall entstehende Wärme wird in der Regel reduziert.
Das ist jedoch nur ein Teil der Wahrheit. Der Begriff Festkörperbatterie umfasst verschiedene Batterietechnologien. In manchen Fällen wird für den Ionenaustausch weiterhin eine flüssige Komponente verwendet (halbfeste Batterien), was bedeutet, dass noch ein flüchtiger Bestandteil vorhanden ist. Einige Festkörper-Polymerelektrolyte sind nicht vollständig entflammbar, und jeder Elektrolyt kann schmelzen, wenn das System ausreichend erhitzt wird.
Im Jahr 2022 nahm der Pariser Verkehrsbetrieb nach zwei Bränden vorübergehend 149 Elektrobusse außer Betrieb. Es wird vermutet, dass die in diesen Fällen verwendeten Zellen Batterien mit einer LFP-Kathode, einer Lithiummetallanode und einem Festkörper-Polymerelektrolyten enthielten. Der Hersteller beschreibt seine Batterien als „vollständig fest, ohne flüssige Bestandteile und frei von Nickel und Kobalt“.
Ein weiteres Beispiel liefert eine simulationsbasierte Studie der Sandia National Laboratories aus dem Jahr 2022 (Hewson et al., Joule, Vol. 6, Ausgabe 4, S. 742–755). Darin wurde die Sicherheit einer Festkörperbatterie, einer Festkörperbatterie mit zusätzlichem flüssigen Elektrolyten an der Kathode und einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie mit flüssigem Elektrolyten verglichen. Die Studie ergab, dass eine Festkörperbatterie mit einer geringen Menge flüssigen Elektrolyten im Falle eines Ausfalls durch externe Erwärmung weniger Wärme erzeugt als eine typische Lithium-Ionen-Batterie, aber mehr als eine Festkörperbatterie. Bei einem Kurzschluss hing die freigesetzte Wärme ausschließlich von der Zellkapazität ab. Da Festkörperbatterien eine höhere Energiedichte aufweisen können, kann potenziell mehr Wärme entstehen. Typische Temperaturen für ein thermisches Durchgehen von Standard-Lithium-Ionen-Batterien liegen bei etwa 1000–1200 °C. In einigen Szenarien dieser Studie erreichte der Temperaturanstieg der Festkörperbatterien fast 1800 °C.
Die Entwicklung von Festkörperbatterien schreitet voran, doch man kommt zu dem Schluss, dass sie in den meisten Fällen sicherer sein können. Dennoch wird kein Batteriesystem hundertprozentig sicher sein. Daher sind Wärmemanagement- und Brandschutzmaterialien weiterhin unerlässlich, um die Ausbreitung eines Feuers über die Batterie hinaus zu verzögern.
Lösungen für Brandschutzmaterialien:
Die für Festkörperbatterien verwendeten Brandschutzmaterialien ähneln weitgehend denen herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien. Die Zellform (zylindrisch, prismatisch, Pouch) und das Gesamtdesign des Akkupacks haben jedoch einen größeren Einfluss auf die Materialauswahl. Zu den derzeit am häufigsten verwendeten Materialien für den passiven Brandschutz zählen unter anderem Glimmerplatten, Keramikmatten, Verkapselungsschäume und flammhemmende Beschichtungen. Aerogele gewinnen zunehmend an Marktanteilen, und Optionen wie intumeszierende Beschichtungen und Phasenwechselmaterialien stoßen auf wachsendes Interesse.
Viele dieser Materialien würden Temperaturen über 1500 °C nur schwer standhalten. Dennoch ist das oberste Ziel nicht unbedingt, die Ausbreitung eines Feuers vollständig zu verhindern, sondern sie so lange wie möglich hinauszuzögern. Neben der Hochtemperaturbeständigkeit müssen diese Materialien zunehmend auch andere Anforderungen erfüllen, wie z. B. Zellanpassungsfähigkeit, Verdichtungseigenschaften und Kosten. Der schnell wachsende Markt für Elektrofahrzeuge, der sich immer stärker auf Brandschutz konzentriert, wird vielfältige Möglichkeiten für Brandschutzmaterialien eröffnen – Möglichkeiten, die auch durch alternative Batterietechnologien wie Festkörperbatterien nicht verdrängt werden.
Autor: Dr. James Edmondson, leitender Technologieanalyst bei IDTechEx
