Neue Batterietechnolgien erfordern intensive Tests

Das Automobil der Zukunft soll elektrisch fahren – so will es die Politik und der Umweltschutz. Damit elektrisch angetriebene Automobile alltagstauglich werden, müssen sehr leistungsfähige und robuste Energiespeicher entwickelt werden. Nicht umsonst ist der Transport von Lithiumbatterien schon ab drei Gramm stark reglementiert. Umso sorgfältiger muss mit Batterien verfahren werden, die viele Kilogramm Lithium enthalten.

Die Industrie investiert intensiv in die Entwicklung geeigneter Energiespeicher. Bevor eine solche Batterie auf die Straße darf, müssen Prototypen auf Herz und Nieren geprüft werden. Sie müssen Stress durch unterschiedlichste Belastungen aushalten: Temperatur, mechanische Belastung, elektrische Belastung und Alterung.

Diese Tests gehen manchmal bis zur Zerstörung der Prüflinge. Dabei können toxische oder explosive Gase frei werden, die Mitarbeiter oder Personal gefährden könnten. Teststationen in denen besonders intensiv getestet wird, müssen daher über eine Gasüberwachung verfügen.

Für die Gefahreneinschätzung im Umgang mit den Batterien gibt es die EUCAR Hazard Standards. Dabei hat die EUCAR (European Council for Automotive R&D) die Gefahren einer Batterie klassifiziert und deren Auswirkungen beschrieben. Je nachdem wie stark diese Auswirkungen auf die Batterie sein können, entscheidet sich ob auf gefährliche Gase überwacht werden muss.

Compur Monitors hat in Zusammenarbeit mit der einschlägigen Industrie Gaswarnanlagen entwickelt, die genau auf diese Anwendung zugeschnitten sind.

Häufig gestellte Fragen zu Batterietests

Wie werden Autobatterien getestet?

Für die Prüfung von Autobatterien und Akkuzellen gibt es spezielle Prüfstände, die aus verschiedenen Komponenten bestehen. Zunächst wird die Batterie je nach Art und Größe in einem passenden Prüfraum gelagert. Das kann ein feuerfester Tisch sein, ein Behälter aus Metall, eine Klimakammer oder eine besondere Kombination aus Klimakammer, Container und anderen Räumlichkeiten jeweils für den beabsichtigten Test speziell ausgerüstet.

Die wichtigste Komponente ist das eigentliche ist das eigentliche Batterie-Testsystem. Dieses belastet den Prüfling elektrisch, thermisch oder mechanisch und erfasst dabei Messdaten. Diese werden über Funk oder Kabel zu einem Leitstand übertragen. Sein Herzstück ist meist ein PC oder Notebook. Von diesem aus wird das System bedient und gesteuert, und hier werden auch die Messwerte erfasst. Das Testsystem befindet sich aus Sicherheitsgründen meist in einem vom Prüfstand abgetrennten Raum. Bis an die Grenze belastete Batterien können sehr gefährlich sein.

Optional können noch weitere Sicherheitsfeatures hinzukommen, darunter redundante Überwachungsgeräte, Zugangskontrollen für Personen, Türverriegelungen und automatische Löscheinrichtungen.

Was passiert bei einer Zerstörung von Lithium-Batterien?

Kommt es bei Lithium-Ionen-Akkus zu Zerstörungen durch mechanische Einflüsse, Überlastung oder Überhitzung, können giftige Flüssigkeiten und Gase austreten, die sich mit anderen Flüssigleiten oder mit den Sauerstoff in der Luft zu ätzenden und hoch giftigen Substanzen bzw. zu explosiven Gemischen verbinden können. Deshalb lässt man beim Testen von Batterien höchste Vorsicht walten um niemanden zu gefährden. Damit es bei eventuellen Bränden durch die Löscharbeiten nicht zu einer noch gefährlicheren Situation kommt, sollte man bereits im Vorfeld mit der Feuerwehr geeignete Löschmethoden abstimmen.

Warum können Lithium-Batterien explodieren?

Grundsätzlich können Lithium-Ionen-Akkus explodieren, denn Lithium ist ein äußerst reaktives Element. Zwar ist solch ein Szenario auf Grund verschiedener integrierter Sicherheitsmechanismen eher unwahrscheinlich, im Grenzbereich aber nicht ausgeschlossen. Gerade bei einem so genannten thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) kann es zu einer Erhitzung von mehreren Hundert Grad kommen. Dann wird eine Zelle völlig zerstört. Überträgt sich die Hitze auf andere Zellen – etwa bei Akkus für Elektro-Autos – kann es zu einer Kettenreaktion und schließlich zu einer Explosion kommen.

Genau dies ist die Motivation für gründliche Batterietests. Man will verhindern, dass später im praktischen Einsatz – etwa durch einen Sturz, aber auch einen Defekt am Ladegerät – Beschädigungen an der Batterie entstehen die zur Zerstörung führen.

Wenn Lithium-Ionen-Akkus im praktischen Einsatz Dellen aufweisen, ausgasen, sich erhitzen oder Rauch entwickeln, ist äußerste Vorsicht geboten. Sie sollten auf keinen Fall weiterverwendet werden. Am besten gibt man sie in einen Behälter mit sehr viel Wasser, damit sie abkühlen können und lässt sie anschließend fachgerecht entsorgen. Beim Durchgehen großer Akkus, z. B. in Fahrzeugen, sollte man sich sofort in Sicherheit bringen und die Feuerwehr alarmieren.

Welche Emissionen genau können Lithium-Batterien verursachen?

Die Zellen von Lithium-Ionen-Akkus sind bei einem ordnungsgemäßen Zustand gas- und flüssigkeitsdicht eingekapselt. Im regulären Betrieb können also keine Inhaltsstoffe austreten. Anders sieht es aus, wenn das Gehäuse durch einen Fertigungsfehler, durch mechanische Einflüsse, Überlastung oder durch eine Überhitzung beschädigt wird. Dies kann einen Überdruck nach sich ziehen, dem die Ummantelung nicht standhält.

Der Elektrolyt, bestehend aus zyklischen und linearen Carbonaten sowie einem Leitsalz, kann in flüssiger Form austreten. Die Lösungsmittel sind leicht entzündlich und wirken stark reizend. Insbesondere die linearen Carbonate sind leicht flüchtig und können in Verbindung mit Luft explosive Gemische bilden. Das Leitsalz wiederum bildet bei Kontakt mit Flüssigkeiten Flusssäure, die hoch giftig ist und die Atemwege stark reizt.

Gasförmige Emissionen entstehen, wenn der Elektrolyt durch hohe Hitze verdampft und sich zersetzt. Dabei bilden sich Produkte wie Ethan, Methan, Butan, Propan und Aldehyde. Dann besteht Explosions – und Vegiftungsgefahr.

Entnahmesystem mit eingebauter Pumpe für CO, H2 und Sauerstoff.