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. Sie gelten als nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Sicherheitsmechanismen an die chemische Zusammensetzung und das Zelldesign der Akkus angepasst werden muss.


Wie ging man vor?

• In den Untersuchungen wurde die mechanische Beschädigung eines Natrium-Ionen-Akkus durch einen Nagelpenetrationstest simuliert. Das ist ein Verfahren, um das Sicherheitsverhalten von Batterien zu bewerten, bei dem eine Zelle absichtlich mit einem Metallstift durchbohrt wird.
• Dabei wollte man 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.
• Mit Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen in einer vom Fraunhofer Institut für Kurzzeitdynamik (EMI) entwickelten Prüfkammer konnten die Forschenden an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble 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 in Elektrofahrzeugen und tragbaren Geräten genutzt wird, sowie eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Dieser Akkutyp gilt als besonders sicher und wird in stationären Speichern eingesetzt.

Die Resultate

• 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 Entlüftungssystems der Zelle, das eigentlich dafür sorgen soll, dass der Überdruck abgebaut wird. Aufgrund des schnellen Druckanstiegs wurde das Entlüftungssystem jedoch von weiteren Komponenten der Sicherheitseinrichtungen verstopft, was zu der abrupten und heftigen Reaktion führte.

Die Schlussfolgerung

Sicherheitsmechanismen lassen sich nicht von einer Batterietechnologie auf eine andere übertragen. Bei Batterietypen wie Natrium-Ionen-Zellen müssen mechanische Komponenten wie Entlüftungssysteme angepasst und getestet werden. Die grundsätzliche Sicherheit der Natrium-Ionen-Technologie wird dabei vom Forschungsteam nicht infrage gestellt. Die BAM ist an der Entwicklung von Standards und Normen im Bereich der Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien beteiligt.