Forschende der TU-Graz zur Sicherheit von Batterien

Im Zuge der Energiewende generieren wir immer mehr Strom aus erneuerbaren, nachhaltigen Energiequellen und bewegen uns zunehmend elektrisch fort. Eine zentrale Schlüsseltechnologie der Energiewende sind Batterien, die immer wichtiger werden. Zukünftige Entwicklungen legen den Fokus auf Festkörperbatterien, da sie mehr Sicherheit und eine höhere Energiedichte bieten. Doch wohin entwickeln sich Batterien und wie sicher sind sie wirklich? Diese Frage versuchen Forschende der TU Graz zu klären. Hierfür stellt das neue Dossier #19 zum Thema „Wie sicher sind Batterien?“ 9 informative Artikel zu verschiedenen Aspekten bereit.

Batterien als Schlüsselelement der Energiewende

Aufgrund der zunehmenden Energieproduktion aus erneuerbaren Energiequellen und der stärkeren Verbreitung der Elektromobilität sowie anderer elektrischer Alltagsanwendungen steigt die Nachfrage nach Batterien. Inbegriffen sind dabei auch höhere Anforderungen an Kapazität, Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit. Nun haben sich Forschende der TU Graz in verschiedenen Artikeln eines Dossiers intensiver mit der Thematik befasst und geben Tipps für den passenden Umgang mit Akkus. In den entsprechenden Artikeln werden folgenden Aspekte behandelt:

1. Allgemeine Sicherheit: Der Artikel „Sichere Batterien für unseren Alltag“ fordert, dass Batterien aufgrund der zunehmenden Nutzung im Alltag sicherer werden müssen.
2. Sicherheit von E-Autos: Der Beitrag „Tipps zur Sicherheit von E-Autos im Sommer“ thematisiert die chemischen Schutzmaßnahmen für E-Auto-Batterien, wohingegen „E-Autos sind definitiv nicht unsicherer als Verbrenner“ im Vergleich zeigt, dass E-Autos genauso sicher sind wie Verbrenner.
3. Unterschiede bei Akkus: Die Unterschiede zwischen den Lithium-Ionen-Akkus trotz gleicher Technologie werden in „Gleich und doch verschieden – Akkus für E-Autos und Handys“ erläutert.
4. Ursachen für Brände: „Warum brennen Batterien?“ liefert die Erklärung für Brände bei Akkus in Handys oder E-Bikes.
5. Innovative Gehäuse: Im Forschungsbericht „Schützendes Gehäuse in Holz-Stahl-Hybridbauweise“ geht es um die Entwicklung eines umweltfreundlichen und brandsicheren Batteriegehäuses.
6. Sicherheit von Ladestationen: Der Artikel „I Spy Science“ beschreibt Methoden zur Prüfung und Sicherstellung der Sicherheit von Elektroladestationen.
7. Forschungsprojekte: Das neue COMET-Forschungszentrum der TU Graz wird im Beitrag „Battery4Life“ vorgestellt. Hier sollen Batterien sicherer, langlebiger und nachhaltiger gemacht werden.
8. Netzstabilität: Die Frage „Speichern oder exportieren?“ erläutert, wie Batteriespeicher zur Netzstabilität beitragen können, um Überkapazitäten zu vermeiden.

1. Sichere Batterien für unseren Alltag

Forschende der TU Graz arbeiten in verschiedenen Projekten an der Sicherheit von Batterien. Im „Battery Safety Center“ werden Batterien mechanisch bis an ihre Belastungsgrenzen getestet, um Daten für Simulationen zu gewinnen. Das Forschungszentrum fokussiert sich auf die Sicherheit, Lebensdauer und Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien. Um die Wärmeentwicklung ohne Brandgefahr zu simulieren, wurde der „T-Cell-Dummy“ entwickelt. Am Institut für Prozess- und Partikeltechnik wird der „Thermal Runaway“ (das thermische Durchdrehen) erforscht, um die Entstehung von Bränden zu verhindern.

2. Tipps zur Sicherheit von E-Autos

Laut Bernhard Gadermaier von der TU Graz sind Lithium-Ionen-Batterien in E-Autos im Idealfall sicher, da das Batteriemanagementsystem (BMS) die chemischen Prozesse überwacht. Risiken entstehen bei Über- oder Tiefentladung, Alterung oder mechanischen Beschädigungen. Gadermaier empfiehlt, den Ladestand idealerweise zwischen 20 und 80 Prozent zu halten und langes Parken bei 0 oder 100 Prozent zu vermeiden. Schnellladen sollte nur ausnahmsweise und nicht bei praller Sonne genutzt werden, da hohe Temperaturen die chemischen Prozesse beschleunigen und die Lebensdauer der Batterie verkürzen. Mehr Tipps hier.

3. E-Autos sind definitiv nicht unsicherer als Verbrenner

Forschende der TU Graz bestätigen, dass E-Autos nicht unsicherer sind als Verbrenner. Statistisch gesehen ist die Brandwahrscheinlichkeit sogar zehnmal geringer. Die größte Herausforderung bei Bränden liegt in der schwer zugänglichen Batterie und der Gefahr eines verzögerten Wiederaufflammens. Für Einsatzkräfte gibt es jedoch standardisierte Vorgehensweisen. Zudem arbeiten die Hersteller an sichereren Bauweisen, zum Beispiel durch getrennte Batteriemodule, um im Falle eines Unfalls Zeit zu gewinnen. Mehr dazu hier.

4. Gleich und doch verschieden – Akkus für E-Autos und Handys

Eva Heider von der TU Graz erklärt hier, dass Akkus für E-Autos und Handys zwar beide auf Lithium-Ionen-Technologie basieren, sich aber im Aufbau stark unterscheiden. E-Auto-Akkus bestehen aus Tausenden von Zellen in einem komplexen System und haben höhere Anforderungen an Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit. Beide Akkutypen sollte man idealerweise zwischen 20 und 80 Prozent laden. E-Auto-Akkus sind stärkeren Umwelteinflüssen wie extremen Temperaturen und Vibrationen ausgesetzt, was spezielle Schutzmechanismen wie ein Kühlsystem und ein robustes Gehäuse erfordert.

5. I Spy Science – Warum brennen Batterien?

Jörg Moser vom „Battery Safety Center“ der TU Graz erklärt in diesem Artikel, wie eine Batterie brennen kann. Er vergleicht den Aufbau mit einem Sandwich und beschreibt, dass ein Kurzschluss zwischen Anode und Kathode, ausgelöst durch Beschädigung des Separators, zu einem Brand führen kann. Das Phänomen nennt man „Thermal Runaway“ (thermisches Durchdrehen). Obwohl Brände bei E-Autos seltener sind als bei Verbrennern, sind sie schwieriger zu löschen, da die Batterie als eigene Sauerstoffquelle agiert und die Hitze über 1.000 Grad Celsius erreichen kann. Moser betont, dass Batterien viel aushalten, aber Missbrauch oder schlechte Qualität zu gefährlichen Bränden führen können.

6. Schützendes Gehäuse in Holz-Stahl-Hybridbauweise

Forschende der TU Graz haben ein umweltfreundliches Schutzgehäuse für E-Auto-Batterien aus Holz und dünnem Stahl entwickelt. Diese Konstruktion, die im Rahmen des Projekts Bio!Lib entstand, ist in der Herstellung deutlich umweltfreundlicher als herkömmliche Aluminiumgehäuse. Das Holz im Inneren nimmt bei einem Aufprall viel Energie auf. Bei Crashtests schnitt das Gehäuse ähnlich gut ab wie der Marktstandard, beim Brandschutztest war es dank der Dämmung mit Kork sogar überlegen. Ein Nachfolgeprojekt soll nun die Wiederverwendbarkeit und das Recycling der Komponenten optimieren.

7. I Spy Science: Ist meine Elektroladestation sicher?

Daniel Herbst von der TU Graz erklärt hier, dass die Sicherheit von Elektroladestationen durch regelmäßige Prüfungen und ein Schutzkonzept aus Isolierungen und Sicherungen gewährleistet wird. E-Autos können auch zur Netzstabilisierung beitragen, indem sie als Zwischenspeicher fungieren. Während die Prüfung von Wechselstrom-Ladestationen bereits etabliert ist, wird an Methoden für die zuverlässige Überprüfung von Gleichstrom-Ladestationen geforscht. Die Ergebnisse sollen in eine Richtlinie des OVE einfließen, um einen einheitlichen Prüfstandard zu schaffen.

8. Battery4Life: Neues COMET-Zentrum unter Federführung der TU Graz

Ein Konsortium unter der Leitung der TU Graz hat die Förderung für das neue COMET-Zentrum „Battery4Life“ erhalten. Mit einem Budget von fast 19 Millionen Euro, das der FFG, die Länder Steiermark und Oberösterreich sowie Industriepartnern bereitstellten, möchte man Batterien sicherer, langlebiger und nachhaltiger machen. Das Zentrum baut dabei auf bestehenden Forschungsergebnissen auf und wird künstliche Intelligenz nutzen, um präzisere Vorhersagen zu treffen. Ein weiterer Fokus liegt auf der Bewertung gebrauchter Batterien, um deren Weiterverwendung als stationäre Stromspeicher zu ermöglichen.

9. Speichern oder exportieren?

Um die Netzstabilität zu sichern und Überschüsse aus erneuerbaren Energien nutzbar zu machen, ist laut Forschenden der TU Graz die Speicherung des Stroms besser als der Export. Obwohl Pumpspeicherkraftwerke in Österreich eine Rolle spielen, sind sie für einen saisonalen Ausgleich nicht ausreichend. Man benötigt weitere Langzeitspeicher, wobei Power-to-Gas-Technologien wie grüner Wasserstoff als vielversprechend gelten. Das Interview „Speichern oder exportieren?“ betont, dass Speicher groß, schnell und günstig sein müssen, um den Ansprüchen aller Beteiligten zu genügen.

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