Die NASA verlieh kürzlich den Forscher:innen des National Laboratory of the Rockies (NLR) und dem Industriepartner KULR Technology Group die Auszeichnung „Invention of the Year 2025“. Die ausgezeichnete Innovation besteht in einer internen Kurzschlussvorrichtung (ISC-D) in Lithium-Ionen-Zellen. Dieser kann einen Batterieausfall auslösen und hat Batterietests für weltraumtaugliche Systeme verbessert.

Vor einigen Wochen haben vier NASA-Astronauten eine bahnbrechende Reise um den Mond absolviert. Zehn Tage lang spielten die Lithium-Ionen-Batterien an Bord von Artemis II eine wichtige Rolle bei der Stromversorgung verschiedener Kommunikations-, Navigations-, Antriebs- und Thermosysteme. Sicherzustellen, dass diese Batterien für die Mission geeignet waren, ist eine Herausforderung, an deren Lösung das NLR in Zusammenarbeit mit der NASA mehr als ein Jahrzehnt lang gearbeitet hat. „Die ISC-D-Triggerzellen sind unsere bevorzugte Methode zur Durchführung unserer Batterietestkampagnen für alle unsere bemannten Missionen“, sagt Eric Darcy, ehemaliger Leiter der Batterietechnik am Johnson Space Center der NASA.

Ausfallmechanismen verstehen, um sicherere Batterien zu entwickeln

Ausfalltests sind ein Schlüssel zur Entwicklung sicherer Batterien – ob für die Raumfahrt oder andere Bereiche. In der Vergangenheit beschränkten sich solche Tests auf externe Auslöser wie das Eindringen von Nägeln, Überhitzung und Quetschung. Solche Ansätze können die einzigartigen Reaktionen aber nicht nachbilden, die auftreten, wenn mikroskopisch kleine Herstellungsfehler einen internen Kurzschluss verursachen. Die in einer einzelnen Zelle erzeugte Wärme kann sich durch eine Kettenreaktion aus austretendem Gas und extremer Hitze, die man als „thermal runaway“ bezeichnet, schnell auf benachbarte Zellen und den gesamten Batteriepack ausbreiten.

Dieser systemweite Ausfall kann katastrophale Folgen haben, insbesondere unter den rauen und isolierten Bedingungen des Weltraums. Im schlimmsten Fall könnte ein durch einen Staubkorn verursachter Defekt eine gesamte Raumkapsel und ihre Besatzung zum Absturz bringen. Mit dem ICS-D können Forscher untersuchen, wie Zellen auf interne Auslöser reagieren, und spezifische Wärmemanagementstrategien entwickeln, um durch solche Defekte verursachte Ausfälle des Batteriesystems zu mindern.

ISC-D besteht aus drei übereinanderliegenden Metallscheiben

Der ISC-D selbst besteht aus drei übereinanderliegenden Metallscheiben, die durch eine dünne Wachsschicht voneinander isoliert sind und die man zwischen Anode und Kathode einer Batteriezelle einsetzen kann. Um einen Ausfall auszulösen, erhöhen die Forscher:innen die Temperatur der Batteriezelle auf 57 °C, wodurch das Wachs schmilzt und die Metallkomponenten miteinander in Kontakt kommen, was in einer kontrollierten Umgebung einen Kurzschluss auslöst.

„Das ISC-D ist vergleichbar damit, einen Schraubenschlüssel zwischen die Schichten einer Zelle in einer präzisen, wiederholbaren und kontrollierten Umgebung zu legen“, sagte Matthew Keyser, leitender Energiespeicher-Ingenieur am NLR. „Das ausgelöste ISC-D wirkt als Leiter zwischen Anode und Kathode und entlädt die gesamte Energie in der Batterie schnell als intensive, konzentrierte Wärme. Die freigesetzte Energie entweicht in der Regel durch eine Entlüftungsöffnung, die zu einem Brenner für benachbarte Zellen werden kann.“

„Dank Testreihen mit Triggerzellen unter Verwendung des ISC-D wurde bei fast allen Batteriekonstruktionen für bemannte Raumfahrzeuganwendungen nachgewiesen, dass sie einer Ausbreitung des thermischen Durchgehens von Zelle zu Zelle standhalten“, sagte Darcy. „Richtig konstruierte Batterien können ein thermisches Durchgehen einer einzelnen Zelle an beliebiger Stelle ohne Ausbreitung verkraften, was lediglich zu einer Leistungsminderung führt. Wenn sich das thermische Durchgehen hingegen von Zelle zu Zelle ausbreitet, kann dies zu einem katastrophalen Ausfall führen.“

In der EES Island Challenge geht es dieses Jahr darum, wie eine Mondmission sicher mit Photovoltaik und Speichern versorgt werden kann.

Quelle: NLR | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH