SLIB

Aufgrund des erhöhten Bedarfs an Energie und Leistung werden die zukünftigen LIBs an Masse und Volumen zunehmen; hieraus resultiert ein wesentlich erhöhtes Gefahrenpotential. Um die Ströme und elektrischen Verluste in beherrschbare Größenordnungen zu bekommen, erfolgt die Realisierung derartiger Energiespeicher auf höheren Spannungsebenen als bisher üblich, woraus sich besondere Anforderungen an die elektrische Isolation, an den Berührungsschutz, Isolationswiderstand, an die Spannungsfestigkeit von elektrischen Bauteilen, Schalt- und Verbindungselemente ergeben.
Neben dem Einsatz von LIBs in mobilen Straßenfahrzeugen ist die Lithium-Batterie-Technologie ebenfalls eine attraktive Energiequelle für elektrisch betriebene Wasser- und Unterwasserfahrzeuge, bemannte und unbemannte Transportsysteme, USV-Anlagen, stationäre Speicher für die Photovoltaik (PV) sowie zur Speicherung von Regelenergie in bspw. Windenergieanlagen.
Eines der Hemmnisse für die Einführung der Lithium-Batterie-Technologie in Großanlagen ist der derzeit hohe Preis. Trotz großen Optimierungspotentials durch kostengünstige Materialien, verbesserte Fertigungsverfahren und die Skaleneeffekte der zukünftigen Massenfertigung wird es auch in Zukunft eine hochpreisige Technologie bleiben. Die mögliche hohe Zyklenzahlen sowie die Wartungsfreiheit der Zellen ermöglichen jedoch unter dem Strich günstige Systemkosten.
Für beide Anwendungsbereiche ist das Thema Sicherheit eines der Hauptargumente für die zurückhaltende Entwicklung (insbesondere in der automobilen Anwendung) dieser Zukunftstechnologie.


Risiken der LIBs


LIBs sind in der öffentlichen Wahrnehmung vor allem durch Brand- und Explosionsberichte von tragbaren Geräten wie Notebook oder Mobiltelefon aufgefallen. Bei Temperaturen oberhalb von 60°C besteht das Risiko, dass LIBs ihre Energie unkontrolliert abgeben. Diese Zustände können beim Be- und Entladen oder durch mechanische Einflüsse bzw. Umwelteinflüsse entstehen.
Unabdingbare Vorraussetzung für jede Anwendung ist die Sicherheit des Speichersystems. Keinesfalls darf von diesen Speichern unter zulässigen Betriebsbedingungen ein Gefahrenpotential ausgehen und auch unter den Bedingungen voraussehbarer Fehler muss die Sicherheit gewährleistet sein. Ebenfalls unter Bedingungen des Missbrauchs und der Fehlbehandlung muss das Gefahrenpotential, das vom Batteriespeicher ausgeht, beherrschbar sein.
Ein weiteres Risiko ist die Berührungsgefährlichkeit hinsichtlich der beschriebenen Spannungsklassen. Im Gegensatz zu den bekannten LIB-Technologien im Geräteeinsatz, die mit Sicherheitskleinspannung betrieben werden, werden für diese LIBs Spannungen größer 60V DC verwendet.

Sicherheitskonzept

Die intrinsische Sicherheit von LIBs (Zellen, Module und Batterien) ist ein Hauptanliegen in der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie.
Eine wesentliche Sicherheitsanforderung (der mit >60V DC) als berührungsgefährlich eingestuften Batterie) ist die Beurteilung der erforderlichen Luft- und Kriechstrecken sowie die der Hochspannungsfestigkeit und die Messung der Isolationswiderstände. Damit ist der Isolationskoordination eine besondere Bedeutung zuzumessen. Schutzart- und Materialprüfungen sind ebenfalls substantielle Sicherheitsanforderungen.

Technologie der LIBs

Lithiumbatterien werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung (Elektroden, Elektrolyt) und dem inneren Aufbau eingeteilt. Sie sind in verschiedenen Formen (z. B. rund oder prismatisch) erhältlich. Hierbei können sich die unterschiedlichen Kombinationen der verwendeten Komponenten und Konstruktionen von Lithiumsystem erheblich unterscheiden und diese Vielfalt wird in Zukunft erheblich zunehmen.
So sind Designs in metallischen Gehäusen -hermetisch dicht versiegelt - als auch die primäre Umverpackung aus metallisierten Kunststofffolien gängig. Der Elektrolyt ist beispielsweise flüssig, als Gel oder als Polymer in der Zelle untergebracht. Zumeist basiert der Elektrolyt heute in diesen Systemen auf entflammbaren organischen Lösemitteln mit unterschiedlichsten Leitsalzen, die jeweils Einfluss auf die spezifische Performance, aber auch auf Sicherheitsaspekte haben. Sowohl auf der negativen, als auch auf der positiven Elektrodenseite gibt es ständig neue Weiterentwicklungen der Komponenten und Zusatzstoffe, die die Performance bezüglich Energiedichte und Leistungsdichte beeinflussen, aber auch sicherheitsspezifischen Gesichtspunkten gerecht werden.
Auch bei der Separation, die die positive von der negativen Elektrode trennt, werden diesbezüglich ständig neue technische Ansätze verfolgt. Zum Teil können Funktionalitäten des Separators durch entsprechende Elektrodenbeschichtungen realisiert werden.
Nicht außer Acht gelassen werden sollten die Bemühungen der stetigen Performancesteigerung, um den wachsenden Anforderungen im Markt gerecht zu werden. Dies führt zum Teil zu extremen Auslegungen, die typischerweise möglichst das gesamte zur Verfügung stehende Volumen nutzen, allerdings dadurch anfälliger für das sicherheitsrelevante Kurzschlussverhalten werden.

Die Arbeitsplanung sieht vier Arbeitsschienen vor. Die praktischen Arbeiten an den Zellen und Batterien werden in den Arbeitsschienen "Realisierung", "Prüfung" und "Sicherheitskonzept" durchgeführt. In der Arbeitschiene "Realisierung" werden Maßnahmen zur Umsetzung von Sicherheits- und Prüfanforderungen realisiert. In der Arbeitsschiene "Prüfung" werden repräsentative und neuartige LIBs für zukünftige Märkte geprüft. Die Prüfungen werden dabei stetig optimiert. Die Erfahrungen aus der Arbeitsschiene "Prüfung" laufen in die Schiene "Sicherheitskonzept" ein und werden dort - geführt durch einen gemeinsamen Arbeitskreis DKE / VDA - in die Überarbeitung der existierenden bzw. kurz vor der Veröffentlichung stehenden Normen einfließt. Über den VDA erfolgt die Rückspeisung in die internationale Normung bei ISO.
In der untersten Stufe "Harmonisierung" werden koordinierende und vereinheitlichende Maßnahmen durchgeführt, die Grundvoraussetzungen für die Durchführung des Projektes sind.



Durch die Unterstützung der beteiligten Industrieunternehmen ist gewährleistet, dass in der Arbeitsschiene "Prüfung" marktrelevante Prüfmuster zur Verfügung stehen. Diese werden von den beteiligten Unternehmen bereitgestellt. Damit werden entwicklungsnah Prüfmethodik, Standardisierung sowie Sicherheitskonzepte weiterentwickelt.