Hinter dem Feuer eines Elektromobils: Die Evolution der Batterie, "gefesselt" von der Leistung

Mehrere Elektromotorrad-Brandereignisse im Oktober haben das immer wiederkehrende Thema der Batteriesicherheit erneut in die Schlagzeilen gerückt.

Diesmal stehen nicht die preiswerten Fahrzeuge im Mittelpunkt, sondern das Xiaomi SU7 Ultra, das NIO ET7, das Li Auto MEGA, das Mercedes-Benz EQE und das Porsche Taycan – diese Markenmodelle im Preisbereich von 300.000 bis einer Million Yuan, die mit den neuesten Batterien ausgestattet sind.

In den letzten zehn Jahren haben Automobilhersteller und Batteriehersteller in der Elektromobilitätswelle gemeinsam dazu beigetragen, dass sich die Batterien in zwei Hauptrichtungen entwickelt haben: hin zu höherer Energiedichte und schnellerer Ladung, um die Leistungsmängel von Elektromobilen gegenüber Verbrennungsmotoren auszugleichen.

Heute erreichen oder übertreffen die Reichweiten von Elektromobilen in der Regel bereits die von Verbrennungsmotoren. Das Ziel, "10 Minuten laden und 500 Kilometer fahren" zu können, ist von der Fantasie in die Realität gewandelt. Doch die andere Seite der Leistungsschieberegler – die Sicherheit – wird eher als eine passive Grundlinie betrachtet.

Nur die plötzlich auftretenden Brandereignisse können die Branche schmerzlich aufwecken und warnen.

Steigende Energiedichte, Kompromisse bei der thermischen Stabilität

Die erste große "Evolution" der Traktionsbatterien war die Veränderung der chemischen Materialien: von Lithium-Eisenphosphat (LFP) zu Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC).

Betrachtet man nur die Materialeigenschaften, hat die NMC-Batterie eine höhere Energiedichte und eine längere Reichweite, jedoch eine schlechtere thermische Stabilität.

Eine Einzelzelle besteht aus Anode, Kathode, Elektrolyt und Separator. Die Ladung und Entladung werden durch die Hin- und Herbewegung von Lithiumionen zwischen Anode und Kathode ermöglicht. Der Kernunterschied zwischen NMC- und LFP-Batterien liegt in der Kathodenmaterialien: Die ersteren verwenden Nickel, Kobalt und Mangan (NCM) oder Nickel, Kobalt und Aluminium (NCA) als Metallelemente, während die letzteren Lithiumeisenphosphatkristalle (LFP) nutzen.

Lithiumeisenphosphat zersetzt sich bei hohen Temperaturen nicht leicht und gibt auch weniger Sauerstoff ab, wodurch es weniger anfällig für thermisches Durchgehen ist. Die stabile Kristallstruktur und der relativ einfache elektrochemische Reaktionspfad sorgen für eine längere Zyklenlebensdauer. Die Nachteile sind die niedrige Energiedichte und die schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen.

Um die Leistungsmängel auszugleichen, werden NMC-Batterien mit hoher Energiedichte bevorzugt in Mittel- und Obersegmentfahrzeugen eingesetzt. Unter den drei Elementen ist Nickel für die Energiedichte verantwortlich, während Kobalt und Mangan (Aluminium) für die Stabilität sorgen. Je höher der Nickelgehalt, desto höher die elektrochemische Aktivität und die Energiedichte, aber auch desto schlechter die thermische Stabilität.

Hochnickel-Batterien (NCM 811) waren einst sehr beliebt, doch nach der Serienproduktion traten Probleme auf. Im Jahr 2020 brannten mehrere Fahrzeuge des GAC Aion S mit CATL 811-Batterien spontan aus. Im Jahr 2021 recallte General Motors fast 70.000 Fahrzeuge aufgrund von Problemen mit Hochnickel-Batterien und forderte 1 Milliarde US-Dollar Schadensersatz von seinem Lieferanten LG Chem ein. Nach einer Reihe von Unfällen wurde die aggressivste Hochnickel-Strategie von der Branche allmählich verlassen, zugunsten eines ausgewogeneren Ansatzes. Derzeit beträgt das Nickel-Kobalt-Mangan-Verhältnis in den gängigen NMC-Batterien auf dem Markt in der Regel 5-2-3 oder 6-2-2.

Aufgrund der Kostenvorteile werden LFP-Batterien immer noch häufig in Fahrzeugen unter 200.000 Yuan verbaut. Doch die leistungsfähigeren NMC-Batterien sind zum Standard in Mittel- und Obersegment-Elektromobilen geworden. Beispielsweise verwendet Tesla NMC-Batterien in seinen Langstreckenmodellen, während die Standard-Reichweitenmodelle mit LFP-Batterien ausgestattet sind.

Größere Zellen und das potenzielle Risiko der Wärmeausbreitung

In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung der Kathodenmaterialien stabilisiert. Automobilhersteller und Batteriehersteller erhöhen die Energiedichte der Batterien hauptsächlich durch Verbesserungen in der Strukturgestaltung – indem sie mehr aktive chemische Materialien in denselben Batteriepack einfügen.

Frühere Batteriepacks hatten eine dreistufige Struktur aus Zellen, Modulen und Batteriepacks. Beispielsweise wurden in der ersten Generation des Tesla Model S 444 zylindrische 18650-Zellen in einem Modul in Reihe und parallel geschaltet. Jedes Modul hatte ein eigenes BMS (Battery Management System, Batteriemanagementsystem) und Kühlleitungen. Ein Batteriepack konnte 16 Module aufnehmen, war innen mit Brandschutzmaterial gefüllt und außen an das Hochspannungssystem des Fahrzeugs angeschlossen. Ein Großteil des Raums wurde von Strukturteilen und Kühlleitungen beansprucht.

Danach entwickelte sich die Technologie hin zur Modullosigkeit. Tesla und Panasonic haben die zylindrischen Zellen von 18650 (Durchmesser 18 mm, Höhe 65 mm) auf 21700 (Durchmesser 21 mm, Höhe 70 mm) und schließlich auf 4680 (Durchmesser 46 mm, Höhe 80 mm) vergrößert. Die Anzahl der Module wurde allmählich reduziert und schließlich aufgegeben. Die CTP-Technologie (Cell to Pack, Modullose Technologie), die die Zellen direkt in den Batteriepack integriert, und die CTC-Technologie (Cell to Chassis, Zellen-Chassis-Integration), die die Batterieoberseite und den Fahrzeugboden vereint und die Zellen direkt in den Fahrwerk integriert, sind daraufhin entstanden.

Tesla 4680-Zelle

Die quadratischen Batterien in China haben denselben Weg eingeschlagen. Die Blade-Batterie von BYD hat die Volumenausnutzung um 50 % erhöht, indem die Zellen in eine fast 1 Meter lange "Blade"-Form gestaltet wurden. Die Kapazität einer einzelnen Zelle stieg von 135 Ah auf über 200 Ah. Auch die Qilin-Batterie von CATL hat die Volumenausnutzung durch strukturelle Verbesserungen auf 72 % erhöht, was die 4680-Batterie (63 %) übertrifft. Die CTC-Technologien beider Unternehmen wurden 2022 bzw. 2023 in die Serie gebracht.

Von der Entfernung der Module über die CTP- bis zur CTC-Technologie haben Automobilhersteller und Batteriehersteller es geschafft, mehr Energie in den begrenzten Fahrwerksraum zu bringen und den Reichweitenmangel auszugleichen. Doch ein unübersehbares Faktum ist: Diese chemischen Materialien, die Energie speichern, sind auch Brennstoffe.

Bei einem internen Kurzschluss breitet sich die Wärme in großen Zellen schneller aus. Die in der Zelle gespeicherte Energie kann lokale Hotspots bilden und die Reaktionskette des thermischen Durchgehens beschleunigen. Dies erklärt auch, warum in den jüngsten Brandereignissen die Zeit zwischen dem Auftreten von Rauch und der Explosion sehr kurz war und das Feuer heftig und schwer zu bekämpfen war.

Es ist zu beachten, dass nicht immer die Zellen für Batteriebrände verantwortlich sind. Häufiger kaufen Automobilhersteller die Zellen von Batterieherstellern und bauen sie dann selbst in Batteriepacks oder in den Fahrwerk ein. Die Montagetechnik ist ebenfalls wichtig. Beispielsweise hat NIO 2019 4.803 ES8-Fahrzeuge zurückgerufen, weil die Spannungskabel im Batteriepack falsch verlegt waren.

Schnelles Laden, kurze Lebensdauer

Der Aufstieg der Hochspannungs-Schnellladetechnologie in den letzten Jahren hat neue Herausforderungen für das Batteriesicherheitsmanagement mit sich gebracht.

Die Ladegeschwindigkeit hängt von der Leistung ab, und die Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. Frühe Elektromobile basierten in der Regel auf einer 400-V-Plattform, und die Laderate war kleiner als 1C (Strom = C-Rate × Nennkapazität der Batterie). Tesla hat die Spitzenleistung von 90 kW am V1-Supercharger auf 250 kW am V3-Supercharger erhöht, indem es den Strom stetig erhöhte. Dadurch konnte es 15 Minuten laden und 250 Kilometer fahren. Die Laderate der Bordbatterie erreichte 2-2,5C.

Porsche hat mit dem Taycan erstmals die Fahrzeugspannungsplattform auf 800 V erhöht und so eine Schnellladung von 270 kW ermöglicht. Obwohl die Leistung im Vergleich zum Tesla V3 nicht viel höher ist, hat die Verdopplung der Spannung und die Halbierung des Stroms die Wärmeentwicklung während des Hochleistungs-Ladens und die Wärmeverluste bei der Übertragung verringert und so die Sicherheit verbessert.

Chinesische Automobilhersteller haben schnell die 800-V-Plattform übernommen und die Laderate der Batterien auf 4C oder sogar höher erhöht. Indem sie sowohl die Spannung als auch den Strom erhöhen, haben sie die Ladeleistung auf über 400 kW gesteigert. Im Jahr 2023 hat Li Auto angekündigt, dass das MEGA erstmals mit der 5C-Qilin-Batterie von CATL ausgestattet werden wird, mit einer Spitzenladeleistung von über 500 kW. BYD behauptet, dass seine 10C-Schnellladetechnologie es ermöglichen soll, in 10 Minuten die Batterie für 600 Kilometer zu laden. Doch laut Messungen von Branchenexperten kann die 10C-Spitzenstromstärke nur für eine sehr kurze Zeit gehalten werden.

CATL 5C-Qilin-Batterie

Der Wettlauf um die Hochspannungs-Schnellladung hat das Ladeerlebnis stark verbessert, doch die damit verbundenen Sicherheitsherausforderungen haben sich exponentiell erhöht: Hohe Spannungen stellen extreme Anforderungen an die Isolation, den Schutz und die Löschfähigkeit. Batterien mit hoher Laderate können einen größeren Kurzschlussstrom liefern, und die Reaktionen beim thermischen Durchgehen können heftiger sein. Beim Schnellladen mit hohem Strom beschleunigen die Lithiumionen das Ein- und Austreten, was nicht nur schnell Wärme erzeugt, sondern auch die Bildung von Lithiumdendriten begünstigt und so die Batterielebensdauer verkürzt.

Li Bin, Gründer von NIO, hat in einem Interview im September dieses Jahres offen gesagt, dass die aktuelle Schnellladetechnologie einen hohen Preis für die kurze Ladezeit zahlt, darunter die Verkürzung der Batterielebensdauer. NIOs Batterietauschstationen laden die Batterien langsam auf, um ein Ziel von 85 % Batteriegesundheit über 15 Jahre und unbegrenzte Reichweite zu erreichen.

"Stellen Sie sich vor, wenn man nach 8 Jahren Fahrzeit 80.000 oder 100.000 Yuan für eine neue Batterie ausgeben muss, ist das aus Sicht der sozialen Ressourcen und der Nutzer ein unannehmbar hoher Kostenfaktor", sagte Li Bin.

Keine absolute Sicherheit, nur dauerhafte Abwägungen

Festkörperbatterien, die sowohl hohe Leistung als auch hohe Sicherheit bieten, werden oft als die ultimative Form von Traktionsbatterien angesehen. Die Forschung auf diesem Gebiet begann vor 30 Jahren, aber eine industrielle Umsetzung ist bis heute nicht gelungen.

Bei der Forschung und Entwicklung sowie bei der Herstellungstechnologie gibt es noch viele Herausforderungen, die nicht perfekt gelöst werden konnten. Da die Serienproduktion von Festkörperbatterien eine umfassende Umgestaltung der bestehenden Flüssigbatterieindustrie erfordert und daher sehr kostspielig ist, sind die meisten Automobilhersteller und Batteriehersteller nicht bereit, große Investitionen zu tätigen.

Bevor die Festkörperbatterien auf den Markt kommen, verbessern Batteriehersteller ständig die Sicherheitsgestaltung von Flüssigbatterien, um das hohe Risiko von Hochleistungsbatterien auszugleichen.

Beispielsweise hat die Qilin-Batterie von CATL die Wärmeübertragungsfläche vergrößert, indem die Flüssigkeitskühlplatte von der Zellenunterseite zwischen die Zellen verlegt wurde. Das Druckentlastungsventil wurde an der Zellenunterseite platziert, getrennt von den Plus- und Minuspolen oben, um eine "thermische und elektrische Trennung" zu erreichen. Im Hinblick auf die Materialien wurde auf der Anodenseite eine Graphitbeschichtung mit kleineren Partikeln verwendet, um die Einlagerungseffizienz der Lithiumionen zu beschleunigen und die Wahrscheinlichkeit der "Lithiumabscheidung" zu verringern.

Die lange und dünne Form der Blade-Batterie von BYD ist auch für die Wärmeableitung vorteilhaft. BYD behauptet auch, dass die enge Anordnung mehrerer Blade-Zellen eine strukturelle Stütze bilden kann, so dass die herkömmlichen Quer- und Längsträger entfallen oder reduziert werden können. Doch die Sorge in der Branche, dass die sehr langen Zellen bei einem Unfall verbogen und dadurch ein interner Kurzschluss ausgelöst werden könnte, besteht weiterhin.

Automobilhersteller verbessern ständig das BMS-System, um die Spannung, den Strom und die Temperatur in Echtzeit zu überwachen und Störungen zu diagnostizieren. Im Notfall wird der Stromkreis unterbrochen und der Fahrer gewarnt. Doch in einem Hochleistungsbatteriesystem kann ein plötzlicher Kurzschluss die Abtastperiode und die Reaktionsgrenze des Systems überschreiten.

Eine ausgewogene Batterie ist das Ergebnis der Kombination von Materialien, struktureller Gestaltung, Herstellungstechnologie und Batteriemanagementsystem. Die endgültige Sicherheit ist das Ergebnis der Überlagerung aller dieser Faktoren. Automobilhersteller und Batteriehersteller müssen bei der Strebung nach hoher Leistung auch die Sicherheit auf die gleiche Ebene heben, die Investitionen in die Sicherheit erhöhen und die Nutzer ehrlich über die relevanten Kenntnisse aufklären. Sie sollten nicht sparen bei der Forschung und Entwicklung, bei der Fahrzeugverkauf die Batteriesicherheit übertrieben bewerben und den Lieferanten verschleiern, um die Nutzer von den potenziellen Sicherheitsrisiken abzulenken.

Jede Traktionsbatterie muss vor der Auslieferung einer Vielzahl von Tests unterzogen werden. Doch von der Laborumgebung in die komplexe reale Fahrbedingungen gibt es noch unzählige Variablen.

Jedes Brandereignis ist eine ernste Warnung für die Branche und liefert auch wertvolle Daten für die techn