Sicher in die elektrifizierte Zukunft des Automobils

Welche Rolle die stetige Verbesserung der Batteriesicherheit für OEMs und Zulieferer spielt erklärt das Team von 3M.

Thermal Runaways

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 Crash oder einem spontanen Zellversagen.

Falls es im Lithium-Ionen-Akku zu einem elektrischen Kurzschluss kommt, kann eine Kettenreaktion ausgelöst werden. Das Elektrolyt entzündet sich, dadurch kann es zu einem Brand oder einer Explosion der Batterie kommen – bezeichnet als Thermisches Durchgehen oder Thermal Runaway. 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 Elektrofahrzeug 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 UN Global Technical Regulation (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.

Aktuell fokussieren sich Automobilhersteller darauf, im Falle einer thermischen Propagation der Batterie die Auswirkungen einzudämmen und ein Durchbrennen des Deckels zeitlich zu verzögern. Die Zellhersteller arbeiten an verschiedenen, verbesserten Konzepten. Dazu zählen etwa eine stabilere Zellchemie, keramische Separatoren, ein besserer Schutz gegen Überladung sowie die Verwendung von Zelldrucksensoren, um die Sicherheit der einzelnen Zelle zu verbessern. Die Batteriesteuergerätehersteller wiederum konzentrieren sich auf verbesserte Vorhersagemodelle für Zellalterung und die entsprechenden Überwachungsalgorithmen im Batteriemanagementsystem. Alle Maßnahmen sind geeignet, um in Summe zu einer stetigen Verbesserung der Batteriesicherheit führen.

Isolationsmatte verzögert die Brandausbreitung bis zu 15 Minuten

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 neue dünne endothermische Isolationsmatte entwickelt, 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 neue 3M-Isolationsmatte angestrebt wird, lebensrettend sein. Erste Tests mit der Matte sind sehr vielversprechend verlaufen.

Eine neuentwickelte dünne endothermische Isolationsmatte von 3M kann das Thermische Durchgehen der nächsten Batteriezelle um mehr als 15 Minuten verzögern oder sogar stoppen.

Durchbrennen des Batteriedeckels verhindern

Bei einer weiteren Neuentwicklung handelt es sich um eine hochtemperaturbeständige, leichte, verformbare und hochfeste keramische Fasermatte, die das Durchbrennen des Aluminiumbatteriedeckels verhindert. Beide Entwicklungen werden mit führenden deutschen Automobilherstellern und namhaften 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.

Verpassen Sie nicht die 3M Keynote auf der IAA Conference

Wann? Mittwoch, 11. September 2019, 14.20 Uhr

Was? Is it all too much? 3M materials science powering the future of transportation

Wo? Ideas Stage

Speaker? Raymond Eby, 3M Vice President Automotive Electrification