Natrium-Ionen-Zellen brauchen andere Sicherheitsmechanismen

Natrium-Ionen-Batteriezellen gelten als Alternative zu Lithium-Ionen-Zellen, doch es könnte ein Sicherheitsproblem geben. Zumindest, wenn bei anderen Zelltypen bewährte Sicherheitsmechanismen einfach auf Natrium-Ionen-Zellen übertragen werden. Das zeigt nun eine Studie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).

Dabei wurde ein sogenannter Nagelpenetrationstest durchgeführt, ein bekanntes Verfahren, um eine mechanische Beschädigung einer Zelle zu simulieren. Dazu wird eine Zelle mit einem Metallstift durchbohrt, um herauszufinden, was bei einem thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) geschieht und ob die eingebauten Sicherheitsmechanismen greifen. Dabei erhitzt sich die Zelle stark, möglicherweise entzündet sie sich oder explodiert auch. 

Die Versuche wurden an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble in einer vom Fraunhofer Institut für Kurzzeitdynamik (EMI) entwickelten Prüfkammer durchgeführt. Mit Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen konnten die inneren Abläufe in einer Natrium-Ionen-Zelle in Echtzeit beobachtet werden – im direkten Vergleich mit einer Lithium-Ionen-Zelle mit Nickel-Mangan-Cobalt-Kathode (NMC) sowie einer Lithium-Eisenphosphat-Zelle (LFP).

Alle drei Zellen waren zylindrisch und hatten das Format 18650, das heißt, sie hatten einen Durchmesser von 18 Millimeter und eine Länge von 50 mm. Sie waren zu 100 Prozent aufgeladen. Die Natriumzelle stammte vom chinesischen Hersteller Hakadi und hatte ein Kathodenmaterial mit Natrium-Nickel-Eisen-Manganoxid der Formel Na(Ni_1/3 Fe_1/3Mn_1/3)O₂. Die NMC-Zelle stammte von Samsung und hatte eine NMC532-Chemie (LiNi_1/2Mn_1/3Co_1/5O₂), während die LFP-Zelle vom Hersteller Heter kam. 

Dabei zeigten sich deutliche Unterschiede im Verhalten: Die LFP-Batterie erwies sich als besonders stabil, was keine Überraschung war, denn dafür ist diese Batteriechemie bekannt. Die NMC-Zelle reagierte kontrolliert – ihre Sicherheitsmechanismen funktionierten wie vorgesehen. Überraschend war jedoch das Verhalten der Natrium-Ionen-Zelle: Hier kam es zu einem nahezu explosionsartigen Verlauf.

Ursache dafür war jedoch nicht die Zellchemie selbst, sondern ein Versagen des Entlüftungssystems der Zelle. Aufgrund des schnellen Druckanstiegs verstopfte es: Die Stromfluss-Unterbrechungs-Einrichtung (Current Interrupt Device, CID) blockierte den Gasaustritt durch die Entlüftungskappe, heißt es in dem Paper, das im Journal of Power Sources Advances veröffentlicht wurde. Die Jelly Roll wurde daraufhin aus dem Zellgehäuse ausgeworfen, was bei den anderen Zellen nicht geschah. Immerhin schmolz die Zelle nicht, was wohl ihrer geringeren Energiedichte und dem Auswurf der aktiven Bestandteile zu verdanken war.

"Unsere Untersuchungen zeigen, dass Sicherheitsmechanismen nicht einfach von einer Batterietechnologie auf eine andere übertragen werden können", erklärt Nils Böttcher, Leiter des BAM-Batterietestzentrums. "Gerade bei neuen Batterietypen wie Natrium-Ionen-Zellen müssen mechanische Komponenten wie Entlüftungssysteme gezielt angepasst und getestet werden." Die Test-Resultate sprächen nicht gegen die Natrium-Ionen-Technologie, sondern unterstreichen vielmehr die Notwendigkeit, die Sicherheitsmechanismen anzupassen, so der Experte. 

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Unter dem Strich

Man sollte keinen drei Millimeter dicken Nagel seitlich in eine dünne, zylindrische Batteriezelle rammen – das versteht sich wohl von selbst. Es sei denn, man gehört zu den Fachleuten, welche die Stabilität einer Zelle beim thermischen Durchgehen überprüfen.

Beim Nagelpenetrationstest kommt es zu einer Kettenreaktion: Der eindringende Nagel führt zu einem Kurzschluss, wobei Wärme entsteht. Diese erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, was zu weiterer Wärmeentwicklung führt, und so weiter. Um die dabei entstehenden Gase abzuführen, haben Batteriezellen ein Entlüftungssystem. Bei der nun untersuchten Natrium-Ionen-Zelle wurde dieses jedoch blockiert. Damit das nicht geschieht, müssen die Sicherheitsmechanismen angepasst werden, so das Resultat der Versuche.