Brand- und Explosionsrisikominderung bei Lithium-Ionen-Batterien

Am 7. Januar 2013 entdeckten eine Reinigungscrew Rauch im Heck einer Boeing 787. Mechaniker stellten fest, dass das Batteriegehäuse des Hilfsbetriebswerks Feuer gefangen hatte. Glücklicherweise war das Flugzeug zu diesem Zeitpunkt am Logan Airport in Boston, USA, geparkt und die 183 Passagiere und 11 Besatzungsmitglieder blieben unverletzt.

Neun Tage später, am 16. Januar 2013, musste eine Boeing 787 aufgrund eines Vorfalls mit der Lithium-Ionen-Batterie in der Hauptstromversorgung auf dem Takamatsu-Airport in Japan notlanden. Daraufhin ordnete die Federal Aviation Administration (FAA) ein Startverbot für die gesamte Flotte der 787 „Dreamliner“ an, bis die Ermittlungen der Flugsicherheitsbehörde NTSB (National Transport Safety Board) abgeschlossen werden konnten.

Gravierende Probleme unterschätzt

Die NTSB-Ermittlungen ergaben, dass ein interner Kurzschluss innerhalb einer der Lithium-Ionen-Batteriezellen die vermeintliche Brandursache war. Dieser Kurzschluss verursachte einen „thermal runaway“, d.h. eine thermische Instabilität benachbarter Zellen, die wiederum zu übermäßiger Erhitzung, Brand oder sogar zu einer Explosion führen kann.

Boeing war das erste Luftfahrtunternehmen, das seine 787 mit großen Lithium-Ionen-Akkus ausstattete und teures Lehrgeld bezahlen musste. Die allgemeine Schlussfolgerung war, dass weder Boeing oder die FAA noch der Batteriehersteller vollständig mit den mit Lithium-Ionen-Batterien verbundenen Risiken vertraut waren.

Tatsächlich gab es schon frühere LIB-Vorfälle. Erst kürzlich hat die FAA eine Liste veröffentlich, in der 258 unabhängige Ereignisse von März 1991 bis einschließlich dem 22. Mai 2019 aufgeführt sind, die von Rauchentwicklung, Feuer, extremer Hitze bis zu Explosionen im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien reichen. Und im April 2016 führte die Internationale Zivilluftfahrtbehörde strenge Vorschriften hinsichtlich des Lufttransports von LIB ein, die USA zog 2019 nach.

Warum sind Lithium-Ionen-Batterien so gefährlich? Und was können Hersteller tun, um das Risiko zu mindern?

 

Was verursacht das Überhitzen in Lithium-Ionen-Batterien?

Die NTSB-Ermittlungen ergaben, dass die Ursache der Brände auf einen internen Kurzschluss innerhalb einer LIB-Zelle zurückzuführen war. Der Kurzschluss führt zu einem übermäßigen Stromfluss, der die Zelle so stark aufheizt, dass sie sich schließlich entzündet. Inzwischen herrscht allgemeines Verständnis, dass feine Metallpartikel aus Verunreinigungen innerhalb der Zelle verantwortlich für die Kurzschlüsse sind. Dies kann auf zweierlei Art geschehen:

  1. Chemischer Kurzschluss
    In diesem Fall ionisieren winzige Metallpartikel von 20–50 µm innerhalb des Elektrolyten nahe der Kathode. Die positive Ladung der ionisierten Atome führt dazu, dass sie von der Anode angezogen werden. Und während sie zur Anode wandern, durchdringen sie den Zellenseparator und verursachen einen Kurzschluss von Kathode zu Anode.
  2. Physikalischer Kurzschluss
    Wenn größere Metallpartikel (etwa ab 100 µm) im Kathodenelektrolyt vorhanden sind, können diese den Separator durchtrennen und so Strom direkt von der Kathoden- zur Anodenseite leiten. Auch in diesem Fall tritt ein Kurzschluss auf.

Um den sicheren Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten, müssen Batteriehersteller und -bauteillieferanten im Produktionsverlauf das Vorkommen von Metallverunreinigungen kontrollieren und minimieren. Zu den betroffenen Bereichen gehören insbesondere:

  • Anoden- und Kathodenmaterialien
  • Leitfähigkeitsverstärker
  • Aufschlämmungsprozess
  • Beschichtungs- und Trocknungsverfahren

Wenn in diesen Bereichen das Vorkommen von Metallpartikeln, deren Größe und Dichte, kontrolliert wird, kann derartiges Batterieversagen verhindert werden, das zum Startverbot der gesamten Boeing 787-Flotte geführt hat.

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