Beherrschbares Risiko

Jede Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht aus zwei Elektroden, der negativen Anode und der positiven Kathode. Sie sind durch einen Separator getrennt. Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist das ionenleitende Elektrolyt.

Allerdings birgt dieses ebenso erfolgreiche wie in aller Regel auch sichere Funktionsprinzip einige bauartbedingte Risiken. So enthalten die Batteriezellen große Mengen chemischer Energie auf kleinem Raum und besitzen nur einen sehr geringen Abstand zwischen den Elektroden (Separatorschicht: typisch ≈ 30 µm). Gleichzeitig sind die eingesetzten Elektrolyten in der Regel brennbar bzw. leicht entzündlich.

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) übernimmt deshalb neben der Steuerung und Überwachung des Ladezustandes auf Zellen- und Systemebene auch das Temperaturmanagement beim Laden und Entladen. So soll sichergestellt werden, dass die Zelle im definierten sicheren Betriebsbereich gehalten wird.

Thermal Runaway als Gefahrenszenario

Wird der sichere Temperaturbereich überschritten, kann es zu einem so genannten Thermal Runaway kommen, was im deutschen Sprachbereich auch als thermisches Durchgehen bezeichnet wird. Bei einem Runaway wird in der Batterie gespeicherte Energie schlagartig freigesetzt und die Temperatur steigt innerhalb von Millisekunden auf mehrere hundert Grad an. Der Elektrolyt entzündet sich bzw. das Elektrolytgas explodiert.

Im Zuge der Entwicklung eines Thermal Runaways verdampft das Elektrolyt mit ansteigender Temperatur sukzessive. Dadurch baut sich der Innendruck in der Zelle immer weiter auf, bis der Elektrolytdampf entweder über ein Überdruckventil oder durch das Bersten der Hülle freigesetzt wird. Ohne Gegenmaßnahmen entsteht dabei ein explosives Gas-Luft-Gemisch. Dann genügt eine Zündquelle, um eine explosionsartige Verbrennung herbeizuführen. Zudem kann sich ein Thermal Runaway in einem Batteriesystem von Zelle zu Zelle ausbreiten und so zu einem Großbrand führen.