Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat in Zusammenarbeit mit der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) und dem Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik (EMI) eine umfassende Untersuchung zur Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien durchgeführt. Diese Art von Batterien wird als umweltfreundliche und nachhaltige Alternative zu den herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien betrachtet, die in vielen modernen Geräten und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Die Ergebnisse der Studie verdeutlichen, dass die etablierten Sicherheitsmechanismen, die für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt wurden, nicht automatisch auf Natrium-Ionen-Batterien übertragbar sind. Vielmehr müssen sie spezifisch an die jeweilige chemische Zusammensetzung und das Design der neuen Akkus angepasst werden.
Im Rahmen der Studie wurde ein Nagelpenetrationstest durchgeführt, der international als Standardverfahren zur Bewertung der Sicherheit von Batterien anerkannt ist. Bei diesem Test wird ein Metallstift in die Batterie eingeführt, um einen kritischen Zustand zu simulieren. Das Ziel war es, herauszufinden, ob die Natrium-Ionen-Batterie, ähnlich wie Lithium-Ionen-Batterien, in eine gefährliche thermische Reaktion gerät, die zu einer Überhitzung, Entzündung oder gar Explosion führen könnte. Dabei wurde auch untersucht, ob die in die Batterien integrierten Sicherheitsmechanismen in solchen Situationen wirksam sind.
Natrium-Ionen-Batterien gelten aufgrund der Verwendung ressourcenschonender Materialien und der Möglichkeit, kostengünstiger hergestellt zu werden, als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien. Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik konnten mit Hilfe hochauflösender Röntgenaufnahmen die inneren Abläufe in den Natrium-Ionen-Akkus während kritischer Ereignisse in Echtzeit beobachten. In diesem Kontext wurden auch zwei andere Batterietypen analysiert: eine konventionelle Lithium-Ionen-Batterie mit einer Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode sowie eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie, die für ihre hohe Sicherheit bekannt ist und häufig in stationären Energiespeichern verwendet wird.
Die Ergebnisse der Studie zeigten signifikante Unterschiede im Verhalten der verschiedenen Batterietypen. Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie erwies sich als besonders stabil und widerstandsfähig gegenüber mechanischen Einwirkungen. Die Lithium-Ionen-Batterie mit Nickel-Mangan-Kobalt-Kathode reagierte auf den Nagelpenetrationstest kontrolliert, wobei die Sicherheitsmechanismen wie vorgesehen funktionierten. Im Gegensatz dazu zeigte die Natrium-Ionen-Batterie ein fast explosionsartiges Verhalten. Dies war jedoch nicht auf die chemische Zusammensetzung der Zelle zurückzuführen, sondern vielmehr auf das Versagen des Entlüftungssystems der Batterie. Dieses System soll den Druck innerhalb der Zelle regulieren, wurde jedoch durch den raschen Druckanstieg blockiert, was zu einer abrupten und heftigen Reaktion führte.
Nils Böttcher, Leiter des Batterietestzentrums der BAM, betont die Bedeutung dieser Erkenntnisse: „Unsere Untersuchungen zeigen, dass Sicherheitsmechanismen nicht einfach von einer Batterietechnologie auf eine andere übertragen werden können. Bei neuen Batterietypen wie den Natrium-Ionen-Zellen müssen mechanische Komponenten, insbesondere Entlüftungssysteme, gezielt angepasst und erprobt werden.“ Während die grundsätzliche Sicherheit der Natrium-Ionen-Technologie nicht in Frage gestellt wird, verdeutlichen die Ergebnisse die Notwendigkeit, chemische Zusammensetzungen und Sicherheitsdesigns gemeinsam zu betrachten.
Die BAM engagiert sich aktiv in der Entwicklung von Standards und Normen zur Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien. Diese Arbeit ist entscheidend, um potenzielle Risiken zu minimieren und das Vertrauen in diese neuen Technologien zu stärken. Die Erkenntnisse aus der Studie könnten dazu beitragen, zukünftige Verbesserungen in der Sicherheitsarchitektur dieser Batterien zu ermöglichen und deren Einsatz in verschiedenen Anwendungen zu fördern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Natrium-Ionen-Batterien als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien gelten, jedoch weiterer Forschungsbedarf besteht, um die Sicherheit dieser neuen Technologie zu gewährleisten und geeignete Standards zu entwickeln.
