Sechs Strategien zur Batteriesicherheit

Nachdem wir nun über einen ganzheitlichen Ansatz bei Batteriebränden und eine Möglichkeit zur Einschätzung des Risikoumfangs gesprochen haben, ist es an der Zeit, die eigentlichen Strategien zur Risikominderung zu erörtern.

Um die letzten beiden Newsletter in jeweils einem Satz zusammenzufassen:

1. Sicherheit ist ein wichtiges Problem, das keine einzelne Lösung haben wird, sondern viele Lösungen werden übereinander gestapelt, wie es bei Sicherheitsgurten, Airbags, Knautschzonen, Antiblockiersystemen usw. der Fall war.
2. Die Gefahr von Lithium-Ionen-Batterien skaliert mit der Größe der Batterie im Quadrat (ein Faktor für die Größe des Brandes und einer für die Wahrscheinlichkeit eines Brandes), was bedeutet, dass die Brandgefahr einer E-Bike-Batterie 10.000 Mal größer ist als die eines Mobiltelefons, und die Brandgefahr einer Elektrofahrzeugbatterie 100.000.000 Mal größer ist als die eines Mobiltelefons.

Dieser letzte Punkt ist, wenn man ihn bedenkt, atemberaubend. Aber wenn man Videos von einem Handybrand und einem Elektrofahrzeugbrand gesehen hat, ist man schon halbwegs dabei. (Kelsey – können wir hier einen Link zu jeweils einem einfügen?)

Eine vor einigen Jahren beliebte Lösung war das Konzept einer Festkörperbatterie. Schließlich wurde der flüssige Elektrolyt eliminiert, und das war doch der größte Teil des Brennstoffs, oder? Seitdem sind einige Festkörperbatterien in die Serienproduktion gegangen, und die Industrie hatte die Möglichkeit, sich damit zu beschäftigen. Obwohl klar ist, dass feste Elektrolyte zur Batteriesicherheit beitragen können, sind sie keineswegs eine Patentlösung für das Problem. Anstatt dies selbst zu beantworten, werde ich einige wichtige Referenzen anführen:

• Video eines elektrischen Busses, der mit Festkörperbatterien betrieben wird und in Paris brennt.
• Video einer brennenden Festkörperbatteriefabrik.
• „Sind Festkörperbatterien sicherer als Lithium-Ionen-Batterien“, ein Papier von Wissenschaftlern mehrerer US DOE National Labs.

Wir haben seitdem erkannt, dass der Elektrolyt tatsächlich nur einen kleinen Teil des Brennstoffs ausmacht – bei Zellen mit hoher Energiedichte befindet sich der größte Teil in Anode und Kathode, was nicht wirklich eliminiert werden kann. Aber die Eliminierung des brennenden Elektrolyten ist ein Schritt in die richtige Richtung.

Wenn Festkörperbatterien also nicht die endgültige Lösung sind, was dann? Das ist eine gute Frage – und die Antwort ist, dass es keine einzelne gibt.

Es läuft darauf hinaus: Während in der Branche große Anstrengungen unternommen werden, um die Batteriesicherheit zu verbessern, gibt es viel größere Anstrengungen, die gespeicherte Energie zu erhöhen, die Größe und das Gewicht von Batterien zu reduzieren, die Kosten zu senken und übermäßige Komplexität zu eliminieren. Diese wirken gegeneinander – immer mehr Energie in ein kleineres Paket zu packen, wird die Sicherheit immer verringern.

Die Lösung wird vielmehr nicht in einer einzigen Lösung liegen, sondern in der Verwendung eines strategischen Portfolios von Taktiken, die für die jeweilige Anwendung geeignet sind. Im Folgenden sind mehrere große Kategorien von verfügbaren Taktiken aufgeführt:

Schutz verwendet externe Mittel, um die Zelle vor der Umgebung zu schützen. Dies kann sowohl mechanische Schutzmaßnahmen als auch thermischen Schutz durch Temperaturregelung umfassen.

Beispiele hierfür sind die Titanplatten, die Tesla am Boden des Model S angebracht hat, als Brände durch Straßenabfälle verursacht wurden, oder Phasenwechselmaterialien wie die von KULR oder Latent Heat Solutions angebotenen.

Minderung schützt die äußere Umgebung vor der Zelle, falls die Zelle in einen thermischen Durchgang gerät. Diese können sowohl mechanisch als auch thermisch sein und sich mit Schutzmaßnahmen überschneiden.

Beispiele hierfür sind der Kasten um die Batterie in der Boeing 787 und auch intumeszierende Materialien.

Die Erkennung nutzt Geräte oder Elektronik, um TR frühzeitig zu erkennen und Maßnahmen zu ergreifen, um dessen Auftreten unwahrscheinlicher zu machen. Diese Sensoren speisen ein Batteriemanagementsystem (BMS), das dann Maßnahmen ergreifen kann, um einen potenziellen thermischen Durchlauf zu mindern.

Beispiele können so einfach wie ein Thermoelement oder ein Spannungssensor sein oder so komplex wie ein Ultraschall-Erkennungssystem, das das Innere der Batterie ständig abtastet.

Reduzierung beinhaltet den Austausch interner Teile der Batterie durch Materialien, die nicht brennbar sind, eine reduzierte Entflammbarkeit aufweisen oder schwer entzündlich sind. Natürlich sind Festkörperbatterien das erste Beispiel dafür, aber es gibt auch andere.

Beispiele hierfür sind, neben Festkörperbatterien, nicht brennende Elektrolyte, eine Reduzierung der Aluminiummenge in der Batterie, die Verwendung von weniger energetischen Elektrodenmaterialien wie Lithiumeisenphosphat oder eine Reduzierung der Entflammbarkeit der im Batteriepaket verwendeten Materialien.

Perfektion beinhaltet den unwahrscheinlichen Prozess der Herstellung von Millionen oder Milliarden perfekter, fehlerfreier Zellen. Dies war die Strategie, zusammen mit der Korrektur einiger Designfehler, die Samsung nach dem Rückruf des Galaxy Note 7 im Jahr 2016 verfolgte.

Der Weg zur Perfektion umfasst Tausende von Qualitätskontrollen, Messungen und Überprüfungen. Für Samsung wurde eine 100%ige Inspektion der fertigen Batterie mittels CT-Scan eingeführt, was teuer war, aber bisher eine Wiederholung des Problems verhindert hat.

Kontrolle des Energieflusses in der Zelle und dessen Unterbrechung, wenn bestimmte Grenzwerte überschritten werden. Dies können entweder Geräte sein, um die Zelle unter bestimmten Umständen zu trennen, oder Materialien im Wickel, die dasselbe bewirken können.

Beispiele hierfür sind ein positiver thermischer Koeffizient (PTC) und eine Stromunterbrechungsvorrichtung (CID) sowie ein Abschaltseparator und ein metallisierter Polymer-Stromkollektor.

Wie alles zusammenpasst

Obwohl klar ist, dass jede dieser Maßnahmen die Gefahr eines Brandes von Lithium-Ionen-Akkupacks verringert, ist nicht klar, wie alles zusammenwirkt. Ich bin der Meinung, dass es sich um eine Multiplikation handelt. Wenn man eine Elektrode wie LFP verwendet, die die Hälfte der Energie hat und halb so wahrscheinlich entzündet wird, dann würde das die Brandgröße um 2 und die Entzündungswahrscheinlichkeit ebenfalls um 2 reduzieren, wodurch die Gefahr eines 100-kWh-EV-Batteriebrandes von 100.000.000 Mal schlimmer als ein Mobiltelefon auf nur noch 25.000.000 Mal schlimmer sinken würde. Es mag nicht nach viel aussehen, aber es ist ein großartiger Anfang. Und es ist möglich, dass diese Zahlen Unterschätzungen sind. Der Punkt ist, dass dieses Framework uns eine Möglichkeit gibt, die Gefahr zu berechnen und sie systematisch auf eine Weise zu reduzieren, die wir quantifizieren können. Und mit einer Möglichkeit, sie zu quantifizieren und all den kreativen und talentierten Ingenieuren in der Branche, die daran arbeiten, wird das Risiko auf ein akzeptables Gefahrenniveau reduziert, ohne weitere Rückrufe.

In den nächsten Newslettern werden wir diesen Rahmen sowohl auf die E-Bike-Batterie-Pandemie in New York City als auch auf aktuelle Rückrufe von Elektrofahrzeugbatterien anwenden, um zu sehen, wie effektiv die Branche derzeit ist.