Die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ist ein Dauerthema. Wie sicher sind sie aus Ihrer Sicht?

Schopferer: Lithium-Ionen-Akkus sind in den vergangenen Jahren zunehmend sicherer geworden. Dazu tragen auch die strengeren gesetzlichen Vorgaben bei. Ein gutes Beispiel ist die Propagationszeit bei Elektrofahrzeugen. China hat mit der Norm GB 38031-2025 die Sicherheitsregeln für EV-Batterien erheblich verschärft. Batterien dürfen selbst nach einem schweren internen Defekt wie einem Zell-Kurzschluss weder Feuer fangen noch explodieren – und zwar mindestens 120 Minuten lang. Damit ist die Frist gegenüber der alten Norm um das 24-fache erhöht und es bleibt auch in schwierigen Bergungs- oder Unfallsituationen ausreichend Zeit für Insassen und Rettungskräfte. Die neue Norm schreibt darüber hinaus zahlreiche neue Prüfungen vor, wie beispielsweise den Thermal Propagation Test. Dabei wird das thermische Durchgehen an einem kompletten Batteriepack getestet, wobei das gesamte System standhalten muss.

Schaufelberger: Hersteller haben in den vergangenen Jahren sehr viel getan, um Batterien sicherer zu machen. Hierzu zählen beispielsweise bessere Trennschichten zwischen den Zellen, feuerhemmende Materialien, intelligente Elektronik, die frühzeitig abschaltet, oder auch stabilere Gehäuse und Kühlung.
 

Die Sicherheitsvorgaben sind für Hersteller unterschiedlicher Branchen gestiegen. Wo liegen denn die aktuellen Herausforderungen?

Schopferer: Die hohen Sicherheitsanforderungen beschäftigen alle Hersteller. Auch da sie teils im Konflikt zu anderen Anforderungen stehen. Im Automotive- Bereich beispielsweise wollen die OEMs nicht nur sicherere, sondern auch leistungsstärkere Batterien für mehr Reichweite. Mehr Reichweite bedeutet eine höhere Energiedichte. Das steht zunächst einmal in Konkurrenz zur Sicherheit und erfordert innovative Herangehensweisen bei der Entwicklung.

In der Luftfahrt gewinnt die Idee des elektrischen Fliegens beziehungsweise des hybrid-elektrischen Fliegens an Bedeutung. Eine signifikante Steigerung der Energiedichte, also eine Reduktion des Batteriegewichts, ist hier der entscheidende Faktor.

Im Verteidigungsbereich könnten Lithium-Ionen-Batterien für die Versorgung der Bordsysteme interessant sein. Voraussetzung ist aber auch hier, dass die Energiemenge steigt. Nur dadurch kann gewährleistet werden, dass die Bordsysteme auch über einen langen Zeitraum autark funktionieren. Gleichzeitig sind die Fahrzeuge sehr hohen Gefahren ausgesetzt, die nochmal ganz andere Anforderungen an die Sicherheit der Batterien stellen.

Welchen Beitrag leistet die Forschung am Fraunhofer EMI?

Schaufelberger: Wir schauen uns nicht den Normbereich an, wie Lebensdauertest, Verhalten bei Hitze oder Kälte. Für uns wird es spannend, wenn es in den Überlastbereich geht – etwa bei einem Aufprall oder beim thermischen Durchgehen. Für die Modellentwicklung müssen wir die Prozesse so weit verstehen, dass sich physikalisch-basierte Simulationsmodelle entwickeln lassen. In Anbetracht der diversen multi-physikalischen Prozesse ist das eine besondere Herausforderung. Daher fokussieren wir uns aktuell auf zwei aus unserer Sicht besonders relevante Aspekte, den mechanisch-induzierten Kurzschluss und die Wärmeübertragung bei der thermischen Propagation.

Schopferer: In unserer Katapult-Anlage führen wir Stoß- und Quetschtests mit Geschwindigkeiten bis zu 60 Kilometer pro Stunde an geladenen Batterien durch. Mit mechanischen Beschädigungstests, wie dem Nagelpenetrationstest, beschädigen wir Zellen gezielt. So können wir herausfinden, wann und warum es zu einer Überhitzung oder Propagation kommt.

Mit Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen machen wir die inneren Abläufe sichtbar – in Echtzeit. So erkennen wir, ob eine Zelle in eine gefährliche thermische Reaktion gerät, sich entzündet oder explodiert, und ob die eingebauten Sicherheitsmechanismen funktionieren. Diese Daten und Erkenntnisse helfen unseren Partnern, ihre Produkte stetig zu verbessern. Wir werden im Idealfall bereits im Entwicklungsprozess eingebunden.

Lithium-Ionen-Batterien dominieren gegenwärtig noch den Markt. Gibt es Alternativen?

Schopferer: Batterie-Technologien entwickeln sich rasant weiter. Natrium-Ionen-Batterien stehen kurz vor einer breiten Markteinführung. Sie werden vermutlich Kostenvorteile wegen einfacher verfügbarer Rohstoffe haben. Zudem sind sie umweltfreundlicher und nachhaltiger, da sie kein Lithium oder Kobalt enthalten. Ihr Nachteil gegenüber Lithium-Ionen-Batterien ist die geringere Energiedichte. Trotzdem sind sie für bestimmte Anwendungsbereiche wie stationäre Speicher oder Mikromobilität interessant.

Neue Technologien erfordern aber auch neue Sicherheitsstandards. In einer Studie mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) haben wir gezeigt, dass bewährte Sicherheitsmechanismen nicht automatisch auf neue Technologien übertragbar sind. Sie müssen an die neuen Batterietypen angepasst werden.

Schaufelberger: Auch Feststoffbatterien sind spannend. Sie versprechen höhere Energiedichten, längere Lebensdauer und mehr Sicherheit, bringen aber noch viele Herausforderungen mit sich.

Welche Herausforderungen sind das?

Schaufelberger: Die Herstellung hochwertiger Elektroden mit optimalen Materialkombinationen, hohe Zyklenfestigkeit sowie die Skalierung des Produktionsverfahrens von der Labor- bis zur Serienfertigung sind herausfordernd. Für aussagekräftige Sicherheitsbetrachtungen sind dabei mindestens Zellen aus der Vorserie erforderlich.

Wie können sich Hersteller auf die Zukunft vorbereiten?

Schaufelberger: Hersteller müssen sicherheitsrelevante Prozesse – von der Kurzschluss-Initiierung bis zur Wärmeübertragung durch Gas- und Partikelströme – noch besser verstehen. Darauf lassen sich dann prognosefähige Simulationsmodelle aufbauen, durch die sich Entwicklungszeiten verkürzen können.

Schopferer: Sie sollten unbedingt auch ihre Testmethoden überprüfen und sicherstellen, dass sie den neuen Anforderungen genügen. Die Herausforderungen in der Batteriesicherheit sind groß, aber mit der richtigen Vorbereitung zu bewältigen.

Vielen Dank für das Gespräch!