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Neu bewerten der Sicherheit und der damit verbundenen Risiken von Lithiumbatterien – Sind Gel‑Elektrolyte die Lösung?
Die Nachfrage nach Lithium‑Ionen‑Batterien wird voraussichtlich in einem phänomenalen Tempo steigen. Schätzungen prognostizieren, dass zwischen 2022 und 2030, wird die globale Nachfrage nach diesen Batterien um das Siebenfache auf 4,7 Terawattstunden ansteigen.
Die Nachfrage wird durch den umfangreichen Einsatz dieser Batterien in tragbaren Elektronikgeräten und Energiespeichern, einschließlich Elektrofahrzeugen, angetrieben. Allerdings sind diese Batterien nicht risikofrei. Sie sind anfällig für Feuer und Explosion.
Eine Lösung für diese Schwachstellen beinhaltet halbflüssige Batterien. Sie reduzieren Risiken, indem sie eine Zwischenlösung zwischen herkömmlichen Lithium‑Ionen‑Batterien mit flüssigen Elektrolyten und Festkörperbatterien darstellen.
Ein gelartiger Elektrolyt, der als Komponente verwendet wird, verleiht diesen Batterien verbesserte Stabilität und längere Lebensdauer. Allerdings können diese Gel‑Elektrolyte aufgrund ihrer langen Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen erhebliche Degradation erfahren, was zu verringerter Leistung und steigenden Herstellungskosten führt. Der Fertigungsprozess zur Herstellung dieser Batterien steht zudem vor einer Herausforderung wegen des Grenzwiderstands zwischen dem halbflüssigen Elektrolyt und der Elektrode.
Kürzlich haben Professor Soojin Park, Seoha Nam, ein Doktorand, und Dr. Hye Bin Son, Forscherin am Fachbereich Chemie der Pohang University of Science and Technology (POSTECH), praktikable Wege entwickelt, um diese Herausforderungen zu bewältigen, indem sie eine stabile und kommerziell nutzbare, auf Gel‑Elektrolyt basierende Batterie geschaffen haben.
Im kommenden Abschnitt gehen wir tiefer auf das Verständnis des Batteriemechanismus ein.
Sicheres und kommerziell nutzbares Gel‑Elektrolyt für Lithiumbatterien
Um die Herausforderungen degradierter Elektrolyte, verringerter Leistung und steigender Kosten zu bewältigen, nutzte das Forscherteam das bifunktionale, vernetzbare Additiv (CIA) und Dipentaerythritol‑Hexaacrylat (DPH) in Kombination mit Elektronenstrahl‑Technologie (e‑Beam).
Die Forscher gingen anders vor als beim herkömmlichen Herstellungsprozess, der die Elektrodenvorbereitung, Elektrolytinjektion, Montage, Aktivierung und Entgasung umfasste.
Stattdessen verbesserten sie die doppelte Funktionalität von DPH, indem sie nach dem Entgasungsprozess einen zusätzlichen e‑Beam‑Bestrahlungsschritt einführten. Gleichzeitig diente das CIA sowohl als Additiv, um während der Aktivierung eine stabile Schnittstelle zwischen Anoden‑ und Kathodoberflächen zu ermöglichen, als auch als Vernetzer, um während des e‑Beam‑Bestrahlungsprozesses eine Polymerstruktur zu bilden.
Die resultierende Lösung konnte die Gasbildung durch Nebenreaktionen der Batterie während der ersten Lade‑ und Entladevorgänge deutlich reduzieren. Die Reduktion betrug bis zu das 25,5‑fache im Vergleich zu herkömmlichen Batterien. Die Lösung konnte zudem den Grenzwiderstand stabil aufrechterhalten, dank der starken Kompatibilität zwischen den Elektroden und dem Gel‑Elektrolyt.
Die Forscher hörten jedoch nicht bei diesen Erfolgen auf. Sie entwickelten eine Hochkapazitätsbatterie von 1,2 Ah, die bei einer Temperatur von 55 °C getestet wurde – einer Temperatur, bei der Elektrolyte zu zerfallen beginnen. Bei 55 °C und darüber hinaus erleiden herkömmliche Batterien, die Elektrolyte verwenden, nach 50 Zyklen einen erheblichen Kapazitätsverlust und Aufblähungen.
Die neue Batterie hingegen konnte nach 200 Zyklen weiterhin eine Kapazität von 1 Ah aufweisen, ohne Gas zu erzeugen, und zeigte verbesserte Sicherheits- und Haltbarkeitsstandards.
Während er die Nützlichkeit der wissenschaftlichen Entdeckung erläuterte, sagte Professor Soojin Park von POSTECH:
“Dieser Fortschritt in Stabilität und kommerzieller Nutzbarkeit wird voraussichtlich ein Durchbruch in der Elektrofahrzeugindustrie sein. Wir hoffen, dass diese Weiterentwicklung nicht nur Elektrofahrzeugen, sondern auch einer breiten Palette anderer Anwendungen, die auf Lithium‑Ionen‑Batterien angewiesen sind, erheblich zugutekommt.”
In den folgenden Abschnitten werfen wir einen kurzen Blick auf einige dieser Anwendungen von Lithium‑Ionen‑Batterien.
Die Anwendung sicherer Lithiumbatterien
Obwohl sie kürzlich wegen ihres Einsatzes in Elektrofahrzeugen Aufmerksamkeit erhalten haben, werden Lithium‑Ionen‑Batterien auch sicher in einer Vielzahl anderer Anwendungen genutzt. Mehrere dieser Anwendungen sind integrale Bestandteile unseres täglichen Lebens und erfordern kommerzielle Rentabilität und Robustheit. Beispielsweise sind wiederaufladbare Lithiumbatterien in Herzschrittmachern üblich und müssen das Gerät für eine typische Lebensdauer von sieben bis acht Jahren versorgen, wobei ihr Gewicht unter 30 Gramm bleiben muss.
Digitalkameras, insbesondere DSLRs, nutzen Lithium‑Ionen‑Batterien wegen ihrer kompakten Größe und hohen Leistungsfähigkeit, die im Vergleich zu anderen Batterietypen überlegene Leistungen erbringen. Ebenso verlassen sich digitale Assistenten, Smartphones und Laptops auf diese sicheren und zuverlässigen Batterien wegen ihrer Langlebigkeit, hohen Energiedichte, leichten Bauweise, einfachen Aufladung und kostengünstigen Wartung.
Zudem werden kleine Li‑Ion‑Batterien mit einer Kapazität von 3 Volt in Geräten so klein wie Uhren eingesetzt, die bis zu ein Jahrzehnt halten können. Diese Batterien versorgen auch Mobilitätslösungen wie persönliche Roller, Golfcarts und Trolleys, dank ihrer Fähigkeit, elektrische Ladung effizient zu speichern und freizusetzen. Diese Fähigkeit macht sie ideal für Anwendungen wie USV‑Systeme, Notstromversorgung und Solarspeicher. Darüber hinaus werden sie zunehmend in aufstrebenden Bereichen wie Marine‑ und Freizeitfahrzeugen sowie tragbaren medizinischen Geräten, die für das Tragen konzipiert sind, eingesetzt.
Die zunehmende Verbreitung von Lithiumbatterien hat zu einem Anstieg ihrer Produktion und Fertigung geführt. Es ist jedoch entscheidend, dass diese Prozesse ebenso sicher und rentabel sind wie die Batterien selbst. Diese Sorge wird durch das kürzlich stattgefundene tragische Feuer in einer südkoreanischen Lithium‑Batterieanlage unterstrichen, bei dem 22 Arbeiter ums Leben kamen.
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Brand in einer südkoreanischen Lithium‑Batterieanlage
Am 24. Juni brach in einer Lithium‑Batteriefabrik in Südkorea ein verheerendes Feuer aus, das durch mehrere Batteriexplosionen verursacht wurde und zum Tod von 22 Arbeitern führte. Die Anlage, betrieben vom führenden Batterielieferanten Aricell, befindet sich in Hwaseong, einem Industriegebiet südwestlich von Seoul.
Kurz nach Beginn des Feuers verbreitete sich giftiges Gas rasch in der gesamten Fabrik, die zu diesem Zeitpunkt bis zu 35.000 Batterien lagerte. Kim Jae-ho, Professor für Brandschutz und Katastrophenprävention an der Daejeon University, erklärte den möglichen Grund für die so verheerende Situation wie folgt:
“Batteriematerialien wie Nickel sind leicht entflammbar. Daher gibt es oft nicht genug Zeit zu reagieren, im Vergleich zu einem Feuer, das durch andere Materialien verursacht wird.”
Die Experten wiesen zudem darauf hin, dass die hohe Zahl der Opfer auf die verwendeten giftigen Materialien zurückzuführen sei und nicht so sehr auf Verbrennungen.
Sind solche Vorfälle vermeidbar?
Man muss stets vorsichtig sein im Umgang mit Lithium‑Ionen‑Batterien, da sie die höchste volumetrische Energiedichte unter den Energiespeichergeräten besitzen. Die Occupational Safety and Health Administration (OSHA) hat detaillierte Anweisungen veröffentlicht, um Feuer- und Explosionsverletzungen bei kleinen und tragbaren, lithium‑batterie‑betriebenen Geräten zu verhindern.
Das Massachusetts Institute of Technology, eines der weltweit angesehensten Technologie‑Bildungsinstitute, hat ebenfalls Leitlinien zur Lithium‑Ion‑Sicherheit veröffentlicht. Laut ihren Anweisungen muss jeder Arbeitsbereich, der diese Batterien handhabt, Oberflächen aus nichtleitenden und feuerfesten Materialien besitzen.
Wenn man auf einer leitenden Oberfläche arbeiten muss, wird empfohlen, diese mit einem Isoliermaterial zu bedecken. Zusätzlich sollte der Bereich frei von brennbaren oder leicht entflammbaren Materialien wie Holztischen, Teppichen, Benzin oder scharfen Gegenständen sein, die die Isolierhülle der Zellen durchstechen könnten. Die optimalen Arbeitstemperaturen liegen zwischen 15 und 35 °C, und die Umgebungstemperatur sollte niemals 60 °C überschreiten.
Eine ordnungsgemäße Lagerung spielt eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung des Risikos von Feuer und Explosion. Der Bericht verbindet viele Lithium‑Ionen‑Batteriebrände mit unzureichenden Lagerbereichen. Um die höchsten Sicherheitsstandards zu wahren, muss der Lagerbereich Faktoren wie Zelldesign, Chemie, Temperatur, Ladezustand und Lagerdauer berücksichtigen.
Batterieherstellungsbetriebe müssen strenge Sicherheitsmaßnahmen einführen, da Brände in Lithium‑Batterieanlagen nicht nur durch das Feuer selbst, sondern auch durch die daraus resultierende Toxizität katastrophal sein können.
Während die Sicherheit in der Fertigung kontinuierlich verbessert werden kann, müssen Batterien von Grund auf sicher sein. Einige Unternehmen investieren stetig in die Produktion sicherer Lithiumbatterien. In den kommenden Abschnitten werden wir solche Unternehmen untersuchen.
#1. Panasonic Energy’s Lithium‑Ion‑Batterien
Panasonic setzt sich dafür ein, die Batteriesicherheit zu gewährleisten, während die Batteriekapazitäten steigen, und konzentriert sich auf die Entwicklung fortschrittlicher Batteriematerialien, die Verfeinerung von Prozessen und die Schaffung von Steuerungstechnologien, um einen sicheren und zuverlässigen Batteriebetrieb zu garantieren.
Ihre Batterien besitzen eine hohe Temperaturbeständigkeit, da das Explosionsrisiko steigt, wenn Batterien über 100 °C erhitzt werden. Panasonic erkennt jedoch an, dass das Stapeln oder Vermischen von Batterien externe Kurzschlüsse, Wärmeentwicklung, Feuer oder Explosionen verursachen kann.
Das Unternehmen befolgt strenge Handhabungs- und Lagerungsrichtlinien, die ein Kontaktieren der Batterieklemmen miteinander oder mit anderen Metallen während des Verpackens verbieten. Es verwendet robustes Verpackungsmaterial, um die Waren während des Transports vor Vibration, Stößen, Fallenlassen und Stapeln zu schützen. Panasonic empfiehlt zudem nachdrücklich, Batterien bei Raumtemperatur zu lagern und sie auf etwa 30‑50 % ihrer Kapazität zu laden.
Es produziert eine Reihe von Lithium‑Batterieprodukten, darunter zylindrische Batterien, prismatische Batterien, Pouch‑Batterien und Stift‑Batterien.
Laut dem neuesten verfügbaren integrierten Bericht der Gruppe verzeichnete das Unternehmen im Jahr 2023 einen Umsatz von 8.378,9 Milliarden Yen.
#2. LG Energy Solutions
LG Energy Solutions ist ein weiteres führendes globales Unternehmen, das nach klar definierten Richtlinien für die Herstellung seiner Li‑Ion‑Batteriepacks arbeitet. Es verbietet die Verwendung von Lithium‑Ion‑Batteriezellen, die während der Packherstellung Stürzen ausgesetzt wurden.
Um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern, sollten Lithium‑Ion‑Batteriezellen von Metallgegenständen ferngehalten und in Umgebungen gehandhabt werden, die Schäden oder Kontamination verhindern.
Zudem sollte das Schweißen nicht direkt auf der Oberfläche von Lithium‑Ion‑Batteriezellen durchgeführt werden, und die Zellen dürfen während des Schweißvorgangs nicht intensiver Hitze oder Druck ausgesetzt werden.
Im Jahr 2023 verzeichnete LG ein Verkaufsvolumen von 84.228 Mrd. KRW, was einen leichten Anstieg gegenüber 83.467 Mrd. KRW im Jahr 2022 darstellte, jedoch einen deutlichen Anstieg gegenüber 73.908 Mrd. KRW im Jahr 2021.
Sicherheitsbedenken bei Lithium‑Ion‑Batterien: Ein umfassender Überblick
Forschung, die Sicherheitsbedenken von Li‑Ion‑Batterien umfassend untersucht hat wies auf mehrere potenzielle Probleme hin, die als Bedrohung auftreten oder ein Risiko darstellen könnten.
Thermische Durchläufe, die zu den schädlichsten Sicherheitsproblemen bei Li‑Ion‑Batterien gehören, entstehen durch Nebenreaktionen. Diese Reaktionen können im Elektrolyten, zwischen Kathode und Anode sowie an den Grenzflächen der Elektrodenoberflächen und beim Lithium‑Absetzen auftreten. Solche Durchläufe werden häufig durch mechanischen, thermischen oder elektrischen Missbrauch ausgelöst.
Mechanischer Missbrauch kann zu Sicherheitsproblemen bei Li‑Ion‑Batterien führen, ebenso kann elektrischer Missbrauch ihre Integrität beeinträchtigen. Ebenso stellt thermischer Missbrauch, bei dem eine Batterie einem thermischen Schock ausgesetzt wird oder extrem hohe Temperaturen erreicht, ein erhebliches Risiko dar.
Die Forschung beschreibt zudem Strategien zur Verbesserung der Sicherheit, sowohl intern als auch extern. Ein entscheidendes Element zur Steigerung der Sicherheit von Li‑Ion‑Batterien (LIB) ist ein gut konzipiertes integriertes Kühlsystem. Zusätzlich ist es wichtig, das richtige Gleichgewicht zwischen den Zellen zu wahren; das beinhaltet das Messen und Vergleichen von Spannungen, Kapazitäten oder Ladezuständen (SOC) aller Zellen nach jedem Ladezyklus.
Hersteller können verschiedene Rahmenwerke befolgen, um die Sicherheit der Produktion zu gewährleisten. Tatsächlich haben bereits zahlreiche Länder solche Standards veröffentlicht, darunter der chinesische Standard, der Standard der Society of Automotive Engineers (SAE), der Standard der International Electrotechnical Commission (IEC), der Standard der Vereinten Nationen (UN), der japanische Industrienormstandard (JIS) und weitere.
Insgesamt leben wir in einer Zeit, die von elektronischen Geräten dominiert wird, was zu einer immer stärkeren Abhängigkeit von Lithiumbatterien führt. Während wir nach größerer Effizienz und Geschwindigkeit in unseren Technologien streben, müssen wir sicherstellen, dass die Sicherheit Priorität hat. Der jüngste Vorfall in Südkorea erinnert eindringlich an die Bedeutung dieses Gleichgewichts und unterstreicht die Notwendigkeit, solche unglücklichen Ereignisse in Zukunft zu verhindern.
