Elektromobil Feuer: Selbst die neuen Batterie-Normen können es nicht verhindern | Brief eines Ingenieurs
„Als die ersten Schöpfer von Automobilprodukten sind Ingenieure diejenigen, die die Automobilprodukte und -technologien am besten verstehen. Ob ein Produkt gut ist, wie tief die Technologie ist und ob die Materialien echt sind, in der Rubrik „Briefe von Ingenieuren“ von 36Kr können Sie die realere Seite sehen.“
Wenn ein Auto mit einer Geschwindigkeit von 100 Kilometern pro Stunde auf eine Autobahn-Trennwand prallt, folgt ein Innenraumtemperatur von 400 Grad Celsius, die in 30 Sekunden geschmolzenen Fensterscheiben und ein Fahrzeug, das nur noch aus einem Metallrahmen besteht. Zu entkommen, oder genauer gesagt, innerhalb von wenigen Sekunden zu entkommen, ist unter diesen Bedingungen natürlich eine ziemlich schwierige Aufgabe.
Zum Ende des vergangenen Jahres hatte die Penetrationsrate von neuen Energiefahrzeugen in China die 50%-Marke überschritten. Doch scheinen brennende Batteriepakete immer noch der verborgene Schmerz von neuen Energiefahrzeugen zu sein. Kann man verhindern, dass die Traktionsbatterie anfängt zu brennen? Können die Passagiere nach einem Brand mehr Zeit zum Entkommen haben? Eine Reihe von Batteriebrandfällen hat diese Fragen immer deutlicher in den Vordergrund gerückt, und die zuständigen Behörden haben erneut die technischen Standards für Traktionsbatterien erhöht.
Im März dieses Jahres wurde die „Sicherheitsanforderungen für Traktionsbatterien in Elektromobilen“ (GB38031-2025) verabschiedet. Im Vergleich zur GB/T38031-2020, die 2020 verabschiedet und 2021 in Kraft getreten ist, ist einer der wichtigsten Änderungspunkte der neuen Batterie-Norm, dass die technischen Anforderungen für die Wärmediffusionstest von der früheren „Bereitstellung eines Warnsignals für ein Wärmeereignis 5 Minuten vor dem Feuer oder der Explosion“ auf die heutige „Kein Feuer, keine Explosion (es muss immer noch gewarnt werden), das Rauchgas darf die Insassen nicht schädigen“ geändert wurden.
Darüber hinaus hat die neue Norm im Vergleich zur aktuellen Testmethode, bei der die thermische Zerstörung durch Nadelstich oder äußere Erwärmung ausgelöst wird, auch einen internen Erwärmungstest hinzugefügt, um strengere Betriebsbedingungen zu simulieren.
Aber beachten Sie, dass selbst wenn die Anforderungen der neuen Norm „Kein Feuer, keine Explosion“ erfüllt sind, dies nicht bedeutet, dass das Fahrzeug tatsächlich niemals Feuer fängt oder explodiert. 36Kr hat nach Gesprächen mit mehreren Ingenieuren erfahren, dass die experimentellen Bedingungen nicht alle komplexen Fahrbedingungen abdecken können. Derzeit gibt es keine Technologie, die das Feuer von Traktionsbatterien vollständig ausschließen kann. Die Initiative für die Fahrzeugsicherheit liegt immer noch in den Händen des Fahrers.
Interviewpartner: A, Jahre Erfahrung in der Batterieabteilung eines Automobilherstellers
36Kr Automobil: Bereits vor einem Jahr hatten die meisten Automobilhersteller die Anforderung, dass das Pack (Batteriepaket) auf NTP (Design ohne Wärmeausbreitung im gesamten Paket) ausgelegt sein sollte. Warum konnten die Fälle von Batteriebränden dennoch nicht ausgerottet werden? Bedeutet dies, dass es nicht ausreicht, nur NTP auf Pack-Ebene zu erreichen?
F: Das NTP auf Pack-Ebene ist eine Sicherheit unter bestimmten Testbedingungen. Die meisten Unternehmen können auch in der Regel verhindern, dass sich die thermische Zerstörung ausbreitet, indem sie nach der thermischen Zerstörung einer einzelnen Zelle eine Reihe von Maßnahmen wie Wasserkühlung, Entlüftung und Stromabschaltung ergreifen. Aber es ist unmöglich, alle Extremfälle abzudecken.
Das Beispiel von Xiaomi ist ein gutes Beispiel. Bei einer so hohen Geschwindigkeit, als es auf einen Betonblock prallte, war die Schutzfunktion nicht mehr wirksam. Genauso wie ein Sicherheitsgurt nicht garantiert, dass man bei einem Unfall nicht umkommt.
Hier ist noch ein früher gesehenes Beispiel. Ein Fahrzeug fuhr auf einem Gehweg, und weil eine Pflasterstein lockerte, hob sich der Stein auf und stach in das Batteriepaket ein, als das Fahrzeug darüber fuhr. Das war ein Batteriepaket, das von einem führenden Batteriehersteller produziert wurde und auch die Teststandards erfüllte.
36Kr Automobil: Es gibt die Meinung, dass die System-Sicherheit der Batterie wichtiger ist als die Sicherheit der Einzelzelle. Ist die Forderung in der neuen Norm, dass eine einzelne Zelle kein Feuer fängt und nicht explodiert, sinnvoll?
F: Die intrinsische Sicherheit der Einzelzelle ist für die Sicherheit des gesamten Batteriepakets von Bedeutung. Je sicherer die Einzelzelle intrinsisch ist, desto leichter erfüllt das gesamte Batteriepaket die thermischen Sicherheitsanforderungen der Norm.
Interviewpartner: Q, arbeitet an der Entwicklung von Einzelzellen, 6 Jahre Erfahrung in einem führenden Batterielieferantenunternehmen
36Kr Automobil: Welche technischen und materialbezogenen Optimierungen können Batteriehersteller vornehmen, um zu erreichen, dass die Einzelzellen kein Feuer fangen und nicht explodieren?
F: Eine Einzelzelle besteht aus vier Hauptmaterialien, nämlich der Kathode, der Anode, dem Elektrolyten und der Separatorfolie.
Die Materialien der Kathode und der Anode sind im Wesentlichen festgelegt, was durch die elektrochemischen Prinzipien der Lithiumbatterie bestimmt wird. Derzeit sind die Hauptkathodenmaterialien NMC (Lithium-Nickel-Cobalt-Manganat), LFP (Lithiumeisenphosphat), NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminat) und LCO (Lithiumcobaltoxid) in Form von Lithiumoxiden. Das Anodenmaterial besteht hauptsächlich aus künstlichem Graphit, aber beim Dotieren oder Dosieren können einige Hilfsstoffe etwas angepasst werden. Wenn sich das Materialsystem ändert, wie bei allfesten Batterien oder Siliziumanoden, die normalerweise für Träger mit hoher Kapazität verwendet werden, oder Natriumionenbatterien, kann theoretisch das Separatormaterial verbessert werden.
Derzeit werden die Separatorfolien in der Regel aus PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) als Basisfolie hergestellt und dann mit Keramik oder PVDF (Polyvinylidenfluorid) beschichtet. Wenn man jedoch PI (Polyimid) als Material verwenden könnte, das nicht brennt, wie das Material, aus dem die Kleidung der Feuerwehrleute besteht. Dann würde es für den Elektrolyten schwierig sein, die Separatorfolie zu durchdringen und einen Kurzschluss zu verursachen. Derzeit entstehen Kurzschlüsse in der Regel, wenn der Elektrolyt mit Wasserdampf in Kontakt kommt und aus LiPF6 (Lithiumhexafluorophosphat) HF (Flußsäure) wird, was noch heftiger als Schwefelsäure ist. Das Problem ist jedoch, dass die Kosten von PI sehr hoch sind, und die kommerzielle Umsetzung könnte schwierig sein.
Der Elektrolyt ist das Wichtigste in der Einzelzelle, daher hat die Elektrolytzusammensetzung in der Regel eine hohe Dichte. Und seine Formel ist sehr komplex. Normalerweise hat jede Art oder jedes Projekt von Batterien eine eigene Elektrolytzusammensetzung, aber in der Regel enthält der Elektrolyt auch Bestandteile von Flammschutzmitteln.
Technisch gesehen ist die Beschichtung möglicherweise sehr wichtig, denn bei der Herstellung von Lithiumbatterien gibt es zwei wichtige Verfahrensschritte, eine ist die Beschichtung, und die andere, wenn es sich um eine zylindrische Batterie handelt, ist das Wickeln, und bei einer quadratischen Aluminiumgehäusebatterie heißt es Stapeln.
Die Flächendichte, Gleichmäßigkeit, Toleranz und Ebenheit der Beschichtung sind alle sehr wichtig. Man muss auch über CD an allen Punkten die Dicke der Elektrodenfolie an der Spitze, am Ende, in der Mitte sowie auf beiden Seiten betrachten. Beim Wickeln oder Stapeln muss darauf geachtet werden, dass es keine Falten oder Knicke gibt.
Einige schlechte Elektrodenfolien sind sicherlich nicht sicher, wenn sie weiter verarbeitet werden. Daher muss die Produktion überwacht werden. Indem man einige minderwertige Elektrodenfolien während des Herstellungsprozesses ausscheidet, kann auch die Sicherheit verbessert werden.
36Kr Automobil: Die neue Norm hat auch einen Bodenaufpralltest und einen Sicherheitstest nach Schnellladezyklen hinzugefügt. Wie können Batteriehersteller diese neuen Anforderungen erfüllen?
F: Zuerst der Bodenaufpralltest. Dies ist etwas wie ein fortgeschrittenes Nadelstich-Experiment.
In dieser Hinsicht ist die Sicherheit der Blade-Batterie möglicherweise etwas schlechter. Das Pack-Strukturdesign ist nicht so widerstandsfähig gegen Aufprall, was mit seinem Herstellungsprozess zusammenhängt.
Die Stapelmethode der Blade-Batterie ist wie ein Sandwich, wobei eine Separatorfolie zwischen der Kathode und der Anode liegt, und das Batteriegehäuse ist aus relativ weichem Aluminium. Das Ergebnis dieses Stapelvorgangs ist nicht so widerstandsfähig gegen Nadelstiche wie die voll gewickelte Struktur von Tesla. Und alle Batterien von Tesla sind mit Gießharz gefüllt.
Aber die Blade-Struktur, bei der die Batterie langgestreckt geformt und auf dem Fahrwerk gestapelt wird, ermöglicht eine effizientere Nutzung des Raums, mehr Batterien können eingebaut werden, die Reichweite kann erhöht werden und die Gesamtspannung kann konstant gehalten werden. Der Vorteil des Aluminiumgehäuses ist, dass Aluminium leichter ist, was das Gewicht des Batteriepakets verringern kann. Der Nachteil ist, dass das Gehäuse zerbrechlich und nicht widerstandsfähig gegen Aufprall ist.
Natürlich gibt es sicherlich einen gewissen Unterschied zwischen dem simulierten Ergebnis und der tatsächlichen Fahrweise. Beim Nadelstich-Experiment wird möglicherweise nur eine Zelle getroffen, daher explodiert es nicht. Bei der tatsächlichen Fahrt kann es zu einem Schrägaufprall kommen, bei dem mehrere Zellen zusammengedrückt werden, und es könnte explodieren.
Man kann auch die Sicherheit durch die Optimierung des Materials verbessern. Unten an der Batterie ist die Bodenplatte. Derzeit werden in der Regel Profile, Bleche und andere Materialien verwendet und mit einigen speziellen Beschichtungen versehen. Über der Bodenplatte ist die Kaltplatte, und die Zellen sind an der Kaltplatte geklebt. Der Pufferabstand zwischen der Bodenplatte und der Kaltplatte kann mit Materialien wie Schaumstoff gefüllt werden. Um die Sicherheit zu verbessern, ist es eine Möglichkeit, die Bodenplatte mit einer Panzerbeschichtung zu versehen.
Der Sicherheitstest nach Schnellladezyklen kann derzeit von den meisten Batterien bestanden werden. Selbst wenn man von 0 SOC (Batterieladung 0) auf 100 SOC (Batterieladung 100) lädt, was einer 4C-Geschwindigkeit in 15 Minuten entspricht, geschieht es derzeit nur im Bereich von 20% bis 80%, was einer Laderate von mindestens 3C entspricht. Daher ist dieser Test nicht schwer zu bestehen.
Außerdem ist in der Norm die Kapazität einer einzelnen Zelle nicht definiert. Einige Einzelzellen haben eine Kapazität von 280 Amperestunden, andere von über 300 Amperestunden. Da die Kapazität nicht definiert ist, können einige Zellen mit niedriger Kapazität den Test bestehen. Je größer die Kapazität einer Einzelzelle ist, desto schwieriger ist es, den Schnellladetest zu bestehen.
36Kr Automobil: Wie sieht die Zukunft von Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid-Zellen (NMC) nach der Einführung der neuen Norm aus? Im Vergleich zu Lithiumeisenphosphat-Zellen (LFP) dürfte es schwieriger sein, die neuen Normen zu erfüllen. Welche technischen Mittel können eingesetzt werden, um diese Schwierigkeiten zu überwinden?
F: Dies hängt mit der mikroskopischen Struktur des Materials zusammen. LFP (Lithiumeisenphosphat) hat eine olivenförmige Struktur, im Gegensatz zu NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid), das eine Schichtstruktur mit drei Elementen hat. Der Diffusionskoeffizient der Schichtstruktur ist deutlich besser als der der olivenförmigen Struktur, daher ist die Wahrscheinlichkeit eines Feuers oder einer Explosion höher.
Aufgrund der Eigenschaften des Materials selbst kann derzeit noch niemand die NMC-Batterien besonders sicher machen. Es gibt Unternehmen wie CATL, die AI-Technologie nutzen, um die gesamte elektrochemische Formel zu optimieren, aber es scheint noch niemand zu geben, der garantieren kann, dass NMC-Batterien kein Feuer fangen und nicht explodieren.
Interviewpartner: H, Jahre Erfahrung als Batteriepaketlieferant
36Kr Automobil: Welchen Einfluss könnte die neue Norm auf einige Batteriematerial-Lieferanten haben? Würde es zu einem Umbruch bei den Zulieferern der Batteriehersteller kommen?
F: Der Einfluss der neuen Norm richtet sich hauptsächlich an die Batteriehersteller. Der Einfluss auf die Zulieferer in der Batterie-Industrie ist möglicherweise nicht so groß, da viele Batteriehersteller bereits höhere Standards einhalten. Beispielsweise hat ein Zulieferer bei der Vorbereitung der Schweißung sowohl die Schweißstandards von SAIC als auch die von CATL. Seine Leitung hat gefordert, dass der strengere Standard angewandt werden soll. In der Praxis wird manchmal sogar noch strenger vorgegangen. Strenger vorgehen bedeutet, dass strengere Anforderungen als der allgemeine Standard angewandt werden. Beispielsweise beträgt die allgemeine Toleranz für die Abmessung ±8mm, aber in der Praxis wird möglicherweise ±6mm angewandt, um die Produktqualität zu gewährleisten.
36Kr Automobil: Welche verborgenen Regeln in der Batteriebranche könnte die neue Norm einschränken?
F: Um einige verborgene Regeln in der Branche einzuschränken, muss man möglicherweise mehr auf die Sanktionsmechanismen setzen. Nur durch die Erhöhung der Schutzstandards können immer noch viele Fälle von Materialersparnis auftreten, weil die Strafen nicht streng genug sind.