Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) und dem Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik (EMI) untersucht, wie sicher Natrium-Ionen-Batterien sind. Der Akkutyp gilt als nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass bewährte Sicherheitsmechanismen nicht automatisch für alle Batterietechnologien gleich wirksam sind, sondern an die chemische Zusammensetzung und das Zelldesign neuer Akkus gezielt angepasst werden sollten.
In den Untersuchungen wurde die mechanische Beschädigung eines Natrium-Ionen-Akkus durch einen sogenannten Nagelpenetrationstest simuliert. Dieser Test ist ein international anerkanntes Verfahren, um das Sicherheitsverhalten von Batterien zu bewerten. Dabei wird eine Zelle absichtlich mit einem Metallstift durchbohrt, um ein kritisches Schadensereignis auszulösen. Ziel war es, herauszufinden, ob der Akku dabei – ähnlich wie bei Lithium-Ionen-Batterien – in eine gefährliche thermische Reaktion gerät, bei der sich die Zelle stark erhitzt und möglicherweise entzündet oder explodiert, und ob die eingebauten Sicherheitsmechanismen greifen.
Aufgrund ihrer ressourcenschonenden Materialien und potenziellen Kostenvorteile gelten Natrium-Ionen-Batterien als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen. Mittels Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen in einer vom Fraunhofer Institut für Kurzzeitdynamik (EMI) speziell entwickelten Prüfkammer konnten die Forschenden an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble erstmals die inneren Abläufe in Natrium-Ionen-Akkus während eines kritischen Ereignisses in Echtzeit sichtbar machen.
Untersucht wurden im direkten Vergleich auch zwei andere Batterietypen mit unterschiedlichen Sicherheitsmechanismen und chemischen Eigenschaften: Eine klassische Lithium-Ionen-Batterie mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode, die weit verbreitet in E-Fahrzeugen und tragbaren Geräten ist, sowie eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie. Dieser Akkutyp gilt als besonders sicher und wird häufig in stationären Speichern eingesetzt.
Die Ergebnisse zeigten deutliche Unterschiede im Verhalten: Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie erwies sich als besonders stabil. Die Lithium-Ionen-Batterie mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode reagierte kontrolliert – ihre Sicherheitsmechanismen funktionierten wie vorgesehen. Überraschend war das Verhalten der Natrium-Ionen-Batterie: Hier kam es zu einem nahezu explosionsartigen Verlauf. Ursache dafür war jedoch nicht die Zellchemie selbst, sondern ein Versagen des Entlüftungssystem der Zelle, das eigentlich dafür sorgen soll, dass der Überdruck abgebaut wird. Aufgrund des schnellen Druckanstiegs wurde das Entlüftungssystem jedoch von weiteren Komponenten der Sicherheitseinrichtungen verstopft, was zu der abrupten und heftigen Reaktion führte.
„Unsere Untersuchungen zeigen, dass Sicherheitsmechanismen nicht einfach von einer Batterietechnologie auf eine andere übertragen werden können“, erklärt Nils Böttcher, Leiter des Batterietestzentrums der BAM. „Gerade bei neuen Batterietypen wie Natrium-Ionen-Zellen müssen mechanische Komponenten wie Entlüftungssysteme gezielt angepasst und getestet werden. Unsere Ergebnisse stellen die grundsätzliche Sicherheit der Natrium-Ionen-Technologie nicht infrage, aber sie unterstreichen die Notwendigkeit, chemische Zusammensetzung und Sicherheitsdesign gemeinsam zu betrachten. Die BAM wirkt daher aktiv an der Entwicklung von Standards und Normen im Bereich der Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien mit.“
E-Insider meint
Die Akku und Batteriechemie bleibt eine der spannendsten physikalischen Eigenschaften unserer Zukunft. Was mir als intressierter Elektrofahrer jedoch nicht gefällt, ist das in diesem Artikel eine Brand/Explosiongefahr durch Natriumspeicher dargestellt wird, dies ist fragwürdig, denn ich habe schon selbst mit Natriumzellen experimentiert (sogar durch Nagelpenetration), und da ist gar nix passiert… Bei NMC-Batterien sieht es jedoch anders aus, da Lithium sich mit dem Element Sauerstoff (02) regelrecht entzündet… Dadurch kann ich als Chemie-insider nicht nachvollziehen, das die Redaktion von ecomento einen solchen Artikel publiziert, da Na-Zellen als die sicherste Chemie überhaupt gelten… Vielleicht ist es auch darauf hinzuführen das bei der Anode / Kothode andere / oder nicht zertifizierte Materialien zum Einsatz kamen…
Ich glaube aber auch an die Aluminium-Ionen Zelle, die besonders bei Tesla weiterentwickelt wurde, besonders wegen ihrer hohen Energiedichte… Bleibt auch abzuwarten ob Feststoffbatterien auf Sulphid-basierten Lösemitteln zu akzeptablen Preisen produziert werden können und ob sich diese Chemie dann auch durchsetzten kann wenn sie nur der Minorität von Verbrauchern*innen durch günstigere Produktionstechnologien und Zellfertigung zugänglich gemacht werden kann…
M. meint
Die haben wohl anderen Fachleuten als dir zugehört, die auch mit solchen Batterien zu tun hatten, und denen – anders als dir – diese Batterien regelrecht um die Ohren geflogen sind.
Eigentlich steht’s ja oben im Artikel – aber hey, wer sind schon diese Leute beim BAM und bei Fraunhofer… wenn du sagst, da kann nichts passieren, müssen die sich geirrt haben.
South meint
Naja, In dem Artikel steht nur, „Unsere Ergebnisse stellen die grundsätzliche Sicherheit der Natrium-Ionen-Technologie nicht infrage, aber sie unterstreichen die Notwendigkeit, chemische Zusammensetzung und Sicherheitsdesign gemeinsam zu betrachten. „. Also jeder Accutyp braucht eben auch eigene Sicherheitsvorkehrungen… nicht mehr und nicht weniger. Mir geht es wie E-Insider, bei den NaIonen Accus wurde ja auch immer davon gesprochen, dass sie an sich sogar sicherer wären…
M. meint
Soll ich dir jetzt auch noch lesen beibringen?
„Überraschend war das Verhalten der Natrium-Ionen-Batterie: Hier kam es zu einem nahezu explosionsartigen Verlauf.“
Das ist auch ein Zitat aus dem Artikel.
South meint
Natürlich geht es hier auf der Seite vor allem um Mobilität, aber erst heute eine Artikel gelesen, dass es in Europa insgesamt 100 GWh an Speicherkapazitäten gibt, davon knapp die Hälfte schon aus Accus. Die Technik schreitet ordentlich voran und wird immer günstiger. Natrium-Ionen-Batterien stehen kurz vor der Marktreife und sind auch Rohstofftechnisch deutlich besser.
Wir brauchen große Mengen von stationären Accusystemen, denn wer zuhause ein E Auto, PV und Heimspeicher zusammen betreibt realisiert schnell, dass vorallem die Kombination unschlagbar ist. Und jetzt ist abzusehen, dass das auch auf industriellen Level durchbricht…
Es geht wirklich gut voran…
Elvenpath meint
Ich fast traurig, dass ich damals nach meinem Physikstudium direkt in die IT gewechselt bin. Akkutechnologie ist im Moment extrem spannend.
Wasco meint
Das ist auch ein Fortschritt.
Jetzt weiß man woran noch gearbeitet werden muss.
Die Energiedichte wird auch besser.
Dann kann die Natriumbatterie kommen!
EVrules meint
Ein interessanter Einblick und durchaus nachvollziehbar.
Auch ein Aspekt warum man einen „rapiden“ Wechsel von Na-Ion Zellen nicht annehmen muss.
Ich finde es gut, dass es diese Zellchemie gibt, ohne Frage und vorallem sehr gut für stationäre Anwendungen, weniger für mobile, aufgrund der Energiedichte – aber alles braucht seine Zeit und Entwicklung!
Und hier will ich mich für realistische Erwartungen und Entwicklungen aussprechen.