Aktive Sicherheit bei Lithium-Batterien: Gassensoren und Aerosol-Löschsysteme

Wenn es um Lithium-Batterien für die Industrie geht, ist Sicherheit ein zentrales Thema. Fahrzeuge, die autonom und im Dauerbetrieb operieren, sind in industriellen Anwendungen keine Seltenheit. Darum ist die Sicherheit der Lithium-Batterien nicht bloß ein Nice-to-have, sondern ein absolutes Muss. Die Tragweite dieser Thematik wird noch deutlicher, wenn man sich die Vielzahl der am Markt verfügbaren Technologien vor Augen führt, denn nicht alle Lithium-Lösungen bieten das gleiche Maß an Stabilität.

Aus diesem Grund bieten wir bei Flash Battery die Möglichkeit, zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen wie Gassensoren und in die Batterie integrierte Löschsysteme zu implementieren, die in der Lage sind, mögliche Anzeichen von Gefahren frühzeitig zu erkennen und aktiv zu bekämpfen.

Nicht alle Lithium-Batterien sind gleich: Es gibt verschiedene Zellchemien, die sich im Hinblick auf Energiedichte, Lebensdauer und insbesondere thermische Stabilität und Eigensicherheit unterscheiden.

Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Zellen (NMC) etwa bieten eine hohe Energiedichte, sind aber auch anfälliger für thermische Instabilität, insbesondere unter extremen Betriebsbedingungen oder im Schadensfall. Bei ungewohnter Beanspruchung dieser Zellen (z. B. Kurzschlüsse, Stöße oder Überladung) können gefährliche Phänomen wie der Thermal Runaway auftreten, eine Kettenreaktion, bei der es zur raschen Freisetzung von Gas und Wärme kommt, die einen Brand oder eine Explosion auslösen kann.

Die von Flash Battery eingesetzte LFP-Technologie (Lithium-Eisen-Phosphat) wiederum zeichnet sich, selbst unter Belastung, durch ein weitaus stabileres und vorhersehbareres Betriebsverhalten aus. LFP-Zellen verfügen über eine hohe Zersetzungstemperatur und sind weniger anfällig für thermische Instabilität, wodurch ein hohes Maß an Sicherheit gewährleistet ist – sogar bei internen Kurzschlüssen.

 Selbst wenn LFP-Zellen, wie alle anderen Energiespeicher auch, von Natur aus sehr sicher sind, gibt es kein Null-Risiko.  Durch eine unsachgemäße Klemmung etwa kann sich ein Hitzepunkt entwickeln, der zum Brand der Kabelhülle oder der angrenzenden Kunststoffteile führen kann.

Aus diesem Grund erfordert die Batteriesicherheit ein ganzheitliches Konzept, das eine stabile Zellchemie, eine fortschrittliche elektronische Konstruktion sowie intelligente Überwachungs- und Interventionssysteme vereint.

In der Welt der Lithium-Batterien ist Sicherheit kein Add-on, sondern muss bereits in den ersten Phasen der Konstruktion ein Leitprinzip sein. Darum spielt der Hersteller eine entscheidende Rolle dabei, den Sicherheitsgrad eines Batteriepacks zu definieren. Dieser Prozess beginnt bereits im Rahmen der Forschung und Entwicklung, in der die technischen Kriterien, die anzuwendende Zellchemie und die Schutzlogiken festgelegt werden.

Es folgt der Konstruktionsprozess, der die Einhaltung bestimmter Kriterien, die Auswahl der am besten geeigneten Materialien sowie die eigentliche Montage des Batteriepacks umfasst. Die Wahl eines erfahrenen Lithium-Batterieherstellers mit einschlägigem Know-how ist somit wesentlich, um die Sicherheit der eigenen Industriefahrzeuge zu gewährleisten. Hinter jedem fertigen Batteriepack steckt ein komplexes Konstrukt aus Forschung und Entwicklung, technischen Prüfungen und insbesondere der sorgfältigen Auswahl der Bauteile und Elektronik. Diese Aspekte beeinflussen nicht nur die Performance der Anwendung, sondern sind auch für die langfristige Sicherheit und Zuverlässigkeit einer Lithium-Batterie maßgeblich.

Eines der zentralen Elemente dieser Batteriearchitektur ist das BMS (Battery Management System), das nicht nur Daten ausliest, sondern permanent mit dem Fahrzeug und dem Batterieladegerät kommuniziert, um Spannung, Temperatur und Gesundheitszustand jeder einzelnen Zelle in Echtzeit zu kontrollieren. Im Fall von Abweichungen ist das BMS in der Lage, den Lade- und Entladevorgang zu unterbrechen, die Schütze auszulösen und die Batterie zu isolieren, um jedes Betriebsrisiko auszuschalten.

Überhitzung ist eines der Hauptprobleme, die es zu vermeiden gilt, um die Sicherheit einer Lithium-Batterie zu gewährleisten. Die laufende Überwachung der Batterie-Innentemperatur hat damit oberste Priorität. Zu den verschiedenen Funktionen eines intelligenten BMS gehört auch, die Temperatur und Spannung der einzelnen Zellen laufend zu überprüfen und mit dem Fahrzeug und Batterieladegerät zu kommunizieren, um im Störfall den Lade- und Entladevorgang zu unterbrechen und die Hauptschütze auszulösen.

Gassensoren ermöglichen es, die Bildung von flüchtigen Elektrolytgasen, die aus einer beschädigten Zelle austreten können, zu unterbinden, noch bevor offensichtliche Symptome wie ein Temperaturanstieg oder Rauchbildung auftreten.

Bei einer Überhitzung oder einem internen Kurzschluss können sich in einem Batteriepack verschiedene spezifische Gase wie Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und andere Dämpfe aus flüssigen Elektrolyten bilden, die durch die Zersetzung von Zellmaterialien entstehen.

Diese Gase sind ein erstes Anzeichen für eine Beschädigung der Zellen, das noch vor sichtbarem Rauch oder einem echten Thermal Runaway auftritt und somit nicht außer Acht gelassen werden sollte.

Genau hier kommen die Gassensoren ins Spiel, die für die Sicherheit des Batteriepacks entscheidend sein können.

Sobald eine Ausgasung im Batteriepack erkannt wird, kommuniziert der Sensor in Echtzeit mit dem Battery Management System (BMS), das die Signale auswertet und gezielte Maßnahmen ergreifen kann: Diese können von der Meldung der Störung an das Fahrzeug, über die aktive Kühlung der Module bis zur Aktivierung von Löschsystemen oder einer Alarmmeldung an das Kontrollzentrum reichen.

Anders als herkömmliche Wärmesensoren, die eine Störung erst nach Überschreitung einer kritischen Temperaturschwelle melden, sparen Gassensoren wertvolle Zeit, um Gegenmaßnahmen zu ergreifen und schlimmere Folgen wie ein thermisches Durchgehen zu verhindern.

Die Grafik oben zeigt eine Zelle, die bis zum thermischen Durchgehen überladen wurde. Wie am Temperaturverlauf ersichtlich, hat die Zelle bei Minute 04:30 ihr Sicherheitsventil geöffnet. Kurze Zeit später wurde die Ausgasung vom Sensor erkannt und an das BMS gemeldet.

Der Temperatursensor hat erst nach 12 Minuten einen deutlichen Anstieg und das thermische Durchgehen der Zelle festgestellt.

Ein im Batteriepack integrierter Gassensor erkennt Abweichungen somit um einige Minuten früher, wodurch die Sicherheit des gesamten Systems erhöht und wertvolle Zeit beim Ergreifen von Maßnahmen eingespart wird.

Aerosol-Löschsysteme gehören zu den wichtigsten aktiven Sicherheitslösungen für Lithium-Batterien. Diese äußerst effektive Technologie ist darauf ausgelegt, im Falle eines Brandausbruchs rasch einzugreifen und den Brand aktiv einzudämmen.

Löschsysteme mit kondensiertem Aerosol sind eine hervorragende Lösung für den Schutz von Batterien und Energiespeichersystemen (BESS), vor allem dort, wo herkömmliche Löschmittel wie Wasser oder Gas unwirksam sind oder Gefahren bergen.

Diese Löschsysteme werden bei Erkennung eines ungewöhnlichen Temperaturanstiegs automatisch aktiviert und setzen ein Aerosol-Löschmittel frei, das Brände rasch und ohne Kollateralschäden an der Elektronik im Keim erstickt.

 Anders als wasser-, gas- oder pulverbasierte Systeme greift das Aerosol in den Verbrennungsprozess selbst ein, indem es die chemische Kettenreaktion der Verbrennung unterbricht, anstatt die Flammen zu ersticken oder die Umgebung zu kühlen.

Das in Form von ultrafeinen Partikeln (unter 10 Mikrometer) freigesetzte Löschmittel bindet freie Radikale im Feuer und verhindert auf diese Weise die weitere Ausbreitung.  Dieser Löschmechanismus ist bei Bränden von Lithium-Ionen-Batterien, die rasch eskalieren können und mit herkömmlichen Systemen schwer einzudämmen sind, besonders wirksam. Darüber hinaus beschädigt das Aerosol keine sensiblen elektronischen Bauteile und kann daher gezielt und sicher in Batterieräumen oder bei begrenztem Platzangebot eingesetzt werden.

Aerosol-Löschsysteme bieten eine Reihe konkreter Vorteile und sind somit vor allem für Industrieanwendungen und Energiespeichersysteme (BESS) geeignet.

Eine der wesentlichen Stärken ist ihre blitzschnelle Reaktion: Die Auslösung erfolgt bereits wenige Sekunden nach Erfassung der thermischen Anomalie, was bei Ereignissen wie dem Thermal Runaway, die sich innerhalb kürzester Zeit entwickeln können, entscheidend ist.

Da Aerosol-Löschanlagen zudem in geschlossenen, komplexen Räumen eingesetzt werden können, eignen sie sich für all jene Bereiche ideal, in denen druckbeaufschlagte oder wasserbasierte Systeme nicht angewendet werden können oder gefährlich sind. Ihr druckloser Betrieb und die kompakten Abmessungen erleichtern die Integration in modulare Strukturen.

Hinzu kommt ein weiterer Vorteil: Das Löschmittel hinterlässt keine gefährlichen Rückstände, schützt damit die Integrität der Leistungselektronik und beschleunigt die Wiederherstellung der Funktionalität nach dem Brand.

Von dieser sicheren Lösung profitiert nicht zuletzt die Umwelt: Das Löschmittel ist frei von Halon, ungiftig und erfüllt das Montreal-Protokoll. Wenn es um integrierte und nachhaltige Sicherheit geht, stellen Aerosol-Löschsysteme daher eine fortschrittliche und überaus funktionale Technologie dar.

Einer der wichtigsten strategischen Faktoren bei der Konstruktion moderner Energiesysteme ist die Prävention. Anomalien bereits im Keim zu ersticken und mögliche Gefahren frühzeitig zu erkennen, gewährleistet den Schutz von Mensch, Umwelt und Prozessen, bevor es zu schwerwiegenden Folgen kommt.

In einem immer stärker automatisierten und vernetzten industriellen Kontext darf Sicherheit nicht dem Zufall überlassen oder passiv angegangen werden. Es geht nicht darum, einfach noch ein Gerät einzusetzen, sondern um einen proaktiven und intelligenten Ansatz, bei dem das Zusammenspiel aus Technologie, Daten und Automatisierung höchste Effizienz- und Sicherheitsstandards gewährleistet. Diese Philosophie mit Weitblick verfolgen wir seit unserer Gründung im Jahr 2012: Prävention statt Reaktion ist unser Credo, aus dem wahre Zuverlässigkeit erwächst.

Literaturverzeichnis

^{[1] https://www.figarosensor.com/product/feature/lithiumionbattery.html}