Brandgefahr und Lithiumbatterien: Die Rolle des Herstellers beim Thema Sicherheit

Die Energiewende ist im vollen Gange, und alle Augen sind auf die Batterie gerichtet, ist sie doch von entscheidender Bedeutung, um die endgültige Abkehr von fossilen Brennstoffen und die Elektrifizierung zu bewerkstelligen.

Dieser Fokus auf den Batteriesektor hat nicht nur Versuchsreihen angekurbelt, sondern auch das Interesse der Öffentlichkeit geweckt. Und wenn sich die Öffentlichkeit für wissenschaftliche und technische Themen interessiert, können sich auch falsche Vorstellungen, Verallgemeinerungen und unbegründete Ängste verbreiten. Ein anschauliches Beispiel hierfür ist die unzutreffende Behauptung, dass „Lithiumbatterien leicht Feuer fangen können“.

Der Hersteller spielt eine zentrale Rolle in Bezug auf die Entflammbarkeit von Lithiumbatterien. Bei der Entwicklung, Materialauswahl und Herstellung kann er viel tun, um die Batterien sicherer zu gestalten und Risiken zu minimieren.

Was sind die wichtigsten Faktoren, wenn es um die Sicherheit einer Lithiumbatterie geht?

Analysieren wir nun die Faktoren, die das Risiko eines Brandes oder einer Explosion in einer Lithiumbatterie erhöhen:

• unsichere Chemie
• unsachgemäße Montage
• ineffiziente Elektronik
• fehlerhafte Planung

Die Wahl der richtigen Chemie

Nicht alle Batteriechemien haben die gleichen Eigenschaften. Die Eigensicherheit der Chemie und die Lebensdauer der Batterie selbst sind die beiden grundlegenden Parameter, die bei der Wahl der Chemie berücksichtigt werden müssen.

Wir wählen für Industrie- und Elektrofahrzeuganwendungen die LiFePo4, da es sich um die sicherste und stabilste Chemie auf dem Markt handelt, die eine Lebensdauer von mehr als 4000 Zyklen garantiert.

Zusammenbau der Zellen

Nach der Chemie ist der Zusammenbau der Zellen der zweite Aspekt zur Bestimmung der Sicherheit einer Lithiumbatterie. Dabei gilt der Grundsatz: Je weniger parallele Zellen in einer Batterie montiert sind, desto höher die Sicherheit.

Batterieelektronik

Die Verwaltungssoftwares der Batterie (Battery Management System) ermöglichen die optimale Nutzung der Chemie und gewährleisten gleichzeitig Zuverlässigkeit und Performance über einen langen Zeitraum. Die Steuerelektronik (BMS) hat die Aufgabe, die Spannung und Temperatur der einzelnen Zellen zu überwachen und sich mit dem Fahrzeug, in dem sich die Batterie befindet, und dem Ladegerät auszutauschen, um in kritischen Situationen den Lade- und Entladevorgang zu blockieren und auf die Hauptschütze einzuwirken. Wenn das BMS sorgfältig und präzise entwickelt wurde, gewährleistet es stabile Leistung im Laufe der Zeit, verhindert Fehlfunktionen und führt Selbstdiagnosen und vorausschauende Wartungen durch, sodass das Batteriepaket vollständig überwacht wird.

Das Flash Data Center unter den Finalisten der Bauma Innovation Awards

Dies ist einer der Gründe, weshalb Wir Flash Data Center entwickelt haben: Eine proprietäre Plattform, die täglich automatisch und remote alle Lade- und Entladezyklen von zusammengeschalteten Batterien analysiert. Die Fernüberwachung ist Gegenstand eines italienischen Patents und wird derzeit für ein europäisches Patent angemeldet. Das System ist so innovativ, effizient und geschätzt, dass es unter den Finalisten der Bauma Innovation Award nominiert wurde.

Tatsächlich wird die Bauma 2022 zum Schaufenster für das Flash Data Center 4.0 sein, die neue Version unsere Software, die künstliche Intelligenz nutzt und die Verbindung aller von Flash Battery hergestellten Batteriesysteme mit Unterstützung fortschrittlicher Technologien für lernende Maschinen garantiert.

Die Rolle des Herstellers bei der Sicherheit von Lithiumbatterien: Flash Battery und seine Entscheidungen

Die Entwicklung jeder Batterie basiert auf einigen grundlegenden Elementen, um die Sicherheit der Benutzer und Anwendungen zu gewährleisten.

1. Einhaltung der von den europäischen Normen geforderten Mindestanforderungen in Bezug auf die elektrische und elektromagnetische Sicherheit.
2. Mechanische Entwicklung, die den einwandfreien Zustand der Batterie auch bei Beanspruchungen und Vibrationen während des normalen Gebrauchs gewährleistet.
3. Konstante Überwachung durch das BMS, unterstützt durch aktive und passive Elemente, z. B. Sicherungen, und passive Sicherheitseinrichtungen für jede Nutzungsphase

Flash Battery ist es gelungen, im Laufe der Jahre maximale Sicherheit der Batterien zu gewährleisten, indem das Unternehmen speziell die zuvor erläuterten Aspekte weiterentwickelte: Die Wahl der richtigen Lithium-Chemie, die korrekte Montage des Batteriepakets und die proprietäre Steuerelektronik.

Die Zusammenarbeit mit verschiedenen europäischen Erstausrüstern ermöglichte uns die Herstellung von maßgeschneiderten Batterien. Dabei wurde ein Konzept der Effizienz und Sicherheit entwickelt, das den Raum und die Abmessungen des Fahrzeugs berücksichtigt und Spannungen und Kapazitäten bietet, die speziell auf die Arbeitsanforderungen zugeschnitten sind.

Unser CEO Marco Righi erklärt „wird es schon bald zum Duell zwischen der in der Automobilindustrie am weitesten verbreiteten NMC-Chemie (Nickel, Mangan, Cobalt) und der LFP-Chemie (Lithium, Eisen, Phpsphat) kommen, die im industriellen Sektor vorherrscht. Im Fahrzeug wird die Batterie nicht übermäßig beansprucht. Sie benötigt eine hohe Energiekapazität und Ladegeschwindigkeit. Industrielle Anwendungen bevorzugen überwiegend die LFP-Chemie, da hier Lebensdauer der Batterie und Sicherheit im Mittelpunkt stehen.“

Die LFP-Chemie hat eine etwas geringere Energiedichte als die NMC-Chemie, etwas längere Ladezeiten und eine komplexere Verwaltung der Steuerelektronik. Bei richtiger Handhabung ist sie weniger anfällig für Runaway-Phänomene.

Neben der Anwendung einer Chemie, die aktuell die sicherste und stabilste auf dem Markt ist, gibt es noch andere entscheidende Elemente, welche eine wichtige Rolle spielen:

• thermische Kontrollsysteme
• Isolationskontrollen
• BMS
• Kommunikationskarten zum schnellen Aufladen
• Fernüberwachung

Vermeidung von Überhitzung

Einer der wichtigsten Punkte für die Sicherheit einer Lithiumbatterie ist der Schutz vor Überhitzung.
Die Temperaturüberwachung in der Batterie ist somit von größter Bedeutung. Die Steuerelektronik (BMS) hat unter anderem die Aufgabe, die Spannung und Temperatur der einzelnen Zellen zu überwachen und mit dem Fahrzeug, in dem sich die Batterie befindet, und dem Ladegerät zu kommunizieren, um in kritischen Situationen den Lade- und Entladevorgang zu blockieren und auf die Hauptschütze einzuwirken.

„Aber Kontrolle allein genügt nicht“, erklärt Rossini, „sie muss effizient sein und an den richtigen Stellen vorgenommen werden. Den Unterschied macht die Funktionsweise des BMS, also der Steuerelektronik. Flash Battery hat es sich zur Aufgabe gemacht, die kritischen Punkte in eben dieser Elektronik, welche die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Lithiumbatterien einschränken, zu beheben. Hier haben wir die meisten Erfahrungen gesammelt und kennen uns am besten aus. Eine umfangreiche und gezielte Temperaturmessung ist notwendig, sodass auch die Übergangswiderstände geprüft werden. In den Batterien von Flash Battery befinden sich deshalb zwei Temperatursensoren an jeder Zelle“.

Testing: Tests, die eine Lithiumbatterie bestehen muss

Eine umfassende Entwicklung und Auswahl der Materialien allein genügt nicht. Bevor eine Lithiumbatterie auf den Markt kommt, muss sie bestimmte Tests bestehen, die ihre Sicherheit prüfen.

Es gibt zwei Arten von Tests, denen Lithiumbatterien (einzelne Zellen oder ganze Batterien) unterzogen werden: Safety Test (einschließlich Abuse Test) und Performance Test.

Safety tests

Hierbei wird die Sicherheit von Batterien getestet, indem sie in der Nähe des angegebenen Grenzwerts (oder sogar außerhalb des normalen Bereichs) betrieben werden, um sicherzustellen, dass auch unter extremen Bedingungen ein Mindestmaß an Sicherheit für den Benutzer oder den Transporteur gewährleistet ist.

Eine mittlerweile genormte Testgruppe, die unter dem Namen UN38.3 bekannt ist (nach dem Abschnitt im „Manual of Tests and Criteria“, in dem das Verfahren erläutert wird), bildet eine Grundvoraussetzung für den sicheren Transport von Batterien weltweit zu Lande, zu Wasser und zu Luft.

Zu den Abuse Tests, die von uns durchgeführt werden, um die Batterien zu „belasten“ und Verbesserungsmöglichkeiten zu erkennen, zählt der Nail Penetration Test (Nageltest), bei dem eine Batterie mit einem Nagel durchbohrt wird, um einen internen Kurzschluss zu simulieren.

Natürlich werden diese Tests im Labor unter kontrollierten und sicheren Bedingungen durchgeführt, und die Wahrscheinlichkeit für eine Durchbohrung der Zelle bei ihrem üblichen Gebrauch in einer Lithiumbatterie in Elektrofahrzeugen und Industriemaschinen ist äußerst gering. Wir ziehen diesen Test jedoch in Erwägung, weil dort das Schlimmste simuliert wird, was mit einer Zelle passieren kann, d. h. ein interner Kurzschluss, der aufgrund von etwaigen Herstellungsfehlern oder Missbrauch auftritt.

Performance tests

Die Performance Tests dienen dazu, die Leistung zu prüfen und die Nenndaten der Batterien objektiv mit anderen Batterien des gleichen Typs auf dem Markt zu vergleichen.

Aufgrund der weiten Verbreitung und des massiven Einsatzes der Lithiumbatterie in der Automobilindustrie hat das Testing an Lithiumbatterien in den letzten Jahren stark zugenommen.

Bis vor einigen Jahren gab es noch nicht viele Labore, die für den Test von Batterien mittlerer/großer Größe (d. h. mit Größen, die von jener der einzelnen Zellen oder denen von tragbaren Geräten abweichen) ausgerüstet waren. Mittlerweile wurden in Europa verschiedene Laboratorien eingerichtet. In Italien wurden im letzten Jahr umfangreiche Investitionen getätigt, um Labore für diese spezifischen Tests einzurichten.

Wie lassen sich Sicherheitsstandards mit kundenspezifischen Lösungen in Einklang bringen?

Eines der besonderen Merkmale unserer Produkte ist die Möglichkeit der individuellen Anpassung. Bei dieser Personalisierung bleiben die Sicherheitsstandards stets erhalten. Kundenspezifisch arbeiten bedeutet, einen sehr hohen Qualitätsstandard zu gewährleisten und bis heute haben wir über 500 verschiedene Modelle mit einer Leistung von über 200 MWh hergestellt.

Das Geheimnis der von Flash Battery angebotenen Personalisierung liegt in der Verwendung standardisierter Projektlösungen und allgemeiner Funktionsmodule. Für alle (mechanischen, elektrischen oder elektronischen) Batteriemerkmale wurde eine spezifische interne Richtlinie für den Entwurf entwickelt, welche die Einhaltung der Mindestsicherheitsanforderungen für jedes neue Projekt gewährleistet. Jeder Entwurf wird wiederum mit standardisierten Basisfunktionselementen entwickelt, die je nach kundenspezifischen Batterieanforderungen integriert werden.

Jede neue technische Lösung wird vor ihrer Umsetzung, Normung und Aufnahme in die Richtlinien bei uns (und ggf. in externen Laboren) geprüft, um die Zuverlässigkeit und die Einhaltung der Anforderungen zu gewährleisten.

Die Entscheidung für einen erfahrenen Hersteller von Lithiumbatterien mit dem richtigen Know-how ist daher ein Schlüsselfaktor für die Sicherheit Ihrer Industriefahrzeuge. Hinter der Spannung, den Ah und der Größe einer Batterie verbirgt sich eine komplexe Welt, die aus Studien, Forschung und Entwicklung, technischen Tests und vor allem einer sorgfältigen Auswahl der Komponenten und der Elektronik besteht – Aspekte, die nicht nur die Leistung der Anwendung beeinflussen, sondern auch wesentlich dazu beitragen, dass eine Lithiumbatterie langfristig sicher und zuverlässig ist.