Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat gemeinsam 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.
Deutliche Unterschiede bei verschiedenen Batterietypen
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 Elektrofahrzeugen 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.
