Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat gemeinsam mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) und dem Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik (EMI) untersucht, wie sicher Natrium-Ionen-Batterien sind. Aufgrund ihrer ressourcenschonenden Materialien und potenziellen Kostenvorteile gelten Natrium-Ionen-Batterien als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass bewährte Sicherheitsmechanismen nicht automatisch für alle Batterietechnologien gleich wirksam sind. Man muss sie an die chemische Zusammensetzung und das Zelldesign neuer Akkus gezielt anpassen.

In den Untersuchungen haben die Forscher:innen die mechanische Beschädigung eines Natrium-Ionen-Akkus durch einen sogenannten Nagelpenetrationstest simuliert. Dieser Test ist ein international anerkanntes Verfahren, um das Sicherheitsverhalten von Batterien zu bewerten. Dabei wird eine Zelle absichtlich mit einem Metallstift durchbohrt, um ein kritisches Schadensereignis auszulösen.

Ziel war es, herauszufinden, ob der Akku dabei – ähnlich wie bei Lithium-Ionen-Batterien – in eine gefährliche thermische Reaktion gerät, bei der sich die Zelle stark erhitzt und möglicherweise entzündet oder explodiert, und ob die eingebauten Sicherheitsmechanismen greifen. Mittels Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen in einer vom Fraunhofer Institut für Kurzzeitdynamik (EMI) speziell entwickelten Prüfkammer konnten die Forschenden an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble erstmals die inneren Abläufe in Natrium-Ionen-Akkus während eines kritischen Ereignisses in Echtzeit sichtbar machen.

Untersucht wurden im direkten Vergleich auch zwei andere Batterietypen mit unterschiedlichen Sicherheitsmechanismen und chemischen Eigenschaften: Eine klassische Lithium-Ionen-Batterie mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode, die weit verbreitet in Elektrofahrzeugen und tragbaren Geräten ist, sowie eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Dieser Akkutyp gilt als besonders sicher und man nutzt ihn häufig in stationären Photovoltaik-Speichern.

Lithium-Eisenphosphat-Batterie besonders stabil

Die Ergebnisse zeigten deutliche Unterschiede im Verhalten: Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie erwies sich als besonders stabil. Die Lithium-Ionen-Batterie mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode reagierte kontrolliert – ihre Sicherheitsmechanismen funktionierten wie vorgesehen. Überraschend war das Verhalten der Natrium-Ionen-Batterie. Hier kam es zu einem nahezu explosionsartigen Verlauf. Ursache dafür war jedoch nicht die Zellchemie selbst, sondern ein Versagen des Entlüftungssystem der Zelle, das eigentlich dafür sorgen soll, dass sich der Überdruck abbaut. Aufgrund des schnellen Druckanstiegs verstopften weitere Komponenten der Sicherheitseinrichtungen jedoch das Entlüftungssystem, was zu der abrupten und heftigen Reaktion führte.

Natrium-Ionen-Batterien erfordern technische Anpassungen für die Sicherheit

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass Sicherheitsmechanismen nicht einfach von einer Batterietechnologie auf eine andere übertragen werden können“, sagt Böttcher, Leiter des Batterietestzentrums der BAM. „Gerade bei neuen Batterietypen wie Natrium-Ionen-Zellen müssen mechanische Komponenten wie Entlüftungssysteme gezielt angepasst und getestet werden. Unsere Ergebnisse stellen die grundsätzliche Sicherheit der Natrium-Ionen-Technologie nicht infrage, aber sie unterstreichen die Notwendigkeit, chemische Zusammensetzung und Sicherheitsdesign gemeinsam zu betrachten. Die BAM wirkt daher aktiv an der Entwicklung von Standards und Normen im Bereich der Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien mit.“

Die wissenschaftliche Originalpublikation ist unter diesem Link zu finden.

In der Vergangenheit kam es immer mal wieder zu Schadensfällen durch Lithium-Ionen-Batterie mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode. Der Speicherhersteller Senec tauscht daher Altgeräte gegen Lithium-Eisenphosphat-Batterien aus.

Quelle: BAM | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH