Thermisches Durchgehen ist der von Batterieingenieuren am meisten gefürchtete Ausfallmodus: Wenn eine Zelle anfängt, sich unkontrolliert zu erhitzen, kann sich das Ereignis kaskadenartig durch ein Akkupack ausbreiten und Feuer, giftige Gase, schwere Geräteschäden oder Schlimmeres verursachen. LiFePO₄ (LFP)-Chemie ist von Natur aus thermisch stabiler als viele Hochenergie-Lithium-Formulierungen, aber "stabiler" bedeutet nicht "unverwundbar". Um ein thermisches Durchgehen in realen Installationen zu verhindern, ist eine mehrschichtige Strategie erforderlich, die Zellchemie und Design, Pack-Architektur und Kühlung, Batterie-Management-Systeme, Teststandards und disziplinierte Betriebsverfahren umfasst. In diesem Artikel werden die Grundursachen, Frühwarnsignale und die praktischen, vor Ort einsetzbaren Schutzmaßnahmen erläutert, auf die Ingenieure und Beschaffungsteams bestehen sollten.

Wie thermisches Durchgehen beginnt - die häufigsten Ursachen

Thermisches Durchgehen ist eine Kettenreaktion: Wärme erhöht die internen Reaktionsraten, die wiederum mehr Wärme erzeugen, und so weiter. Diese Kette kann auf verschiedene Arten ausgelöst werden, die vorhersehbar und vermeidbar sind:

• Elektrischer Missbrauch: Überladung, anhaltende Überspannung oder externe/interne Kurzschlüsse lassen die Zellentemperatur schnell ansteigen.

• Mechanische Schäden: Einstiche, Quetschungen oder Verformungen können interne Kurzschlüsse verursachen.

• Erhöhte Umgebungs- oder Betriebstemperatur: Anhaltende Hitze beschleunigt Nebenreaktionen und schwächt Abscheider und Elektroden.

• Herstellungsfehler oder Verunreinigungen: Mikroskopische Verunreinigungen, schlechte Beschichtungen oder Schweißfehler erhöhen die Gefahr eines internen Kurzschlusses.

Das Verständnis dieser Auslöser ist der erste Schritt zur Risikominderung, denn für jeden gibt es eine entsprechende technische Kontrolle. Umfassende Risikobewertungen zeigen, dass alle Lithiumchemien ein Risiko darstellen, aber die Wahrscheinlichkeit und der Schweregrad variieren je nach Design und Kontrollmaßnahmen.

Warum sich LiFePO₄ unterschiedlich verhält - ein praktischer Vergleich

Die Kristallstruktur und die Chemie von LiFePO₄ führen zu einer höheren thermischen Zersetzungstemperatur und einer geringeren gespeicherten chemischen Energie pro Zelle im Vergleich zu vielen nickelhaltigen Kathoden. In der Praxis bedeutet dies, dass LFP-Zellen Missbrauch und erhöhte Temperaturen besser vertragen und weniger anfällig für einen energetischen Thermal Runaway sind. Diese chemische Eigenschaft verringert die Notwendigkeit einer sorgfältigen Systemauslegung und -prüfung, macht sie aber nicht überflüssig. Konstrukteure sollten LFP als Sicherheitsvorteil betrachten, der durch technische Kontrollen genutzt werden kann, und nicht als Freibrief für eine Lockerung des Schutzes.

Technische Kontrollen, die verhindern, dass eine einzelne Zelle zu einem Großbrand wird

Es ist von entscheidender Bedeutung, die Ausbreitung von einer einzelnen ausgefallenen Zelle auf ihre Nachbarn zu verhindern. Zu den wichtigsten technischen Maßnahmen gehören:

• Robuste Batterie-Management-Systeme (BMS): Das BMS muss eine Spannungs- und Temperaturüberwachung pro Zelle, einen aktiven Ausgleich und eine hochzuverlässige Abschaltlogik bieten. Für Flotten- und stationäre Systeme ist die BMS-Telemetrie, die den Gesundheitszustand der Zellen meldet, unerlässlich, um eine allmähliche Verschlechterung zu erkennen, bevor eine Zelle ausfällt.

• Wärmemanagement und Kompartimentierung: effektive Leitungswege, thermische Barrieren zwischen den Modulen und eine gezielte Kühlung verhindern, dass die lokale Wärme die Temperatur der benachbarten Zellen erhöht. Moderne Packs verwenden wärmeverteilende Platten, Phasenwechselmaterialien oder Flüssigkeitskühlung für Anwendungen mit hoher Leistung.

• Mechanische Konstruktion und Trennung: stoßdämpfende Halterungen, starre Gehäuse und der Abstand zwischen den Zellen verringern die Gefahr einer mechanischen Beeinträchtigung und verlangsamen die Ausbreitung, wenn eine Zelle entweicht.

• Qualitätskontrolle bei der Herstellung: Rückverfolgbarkeit in der Lieferkette, Reinraum-Montageverfahren und konsistente Schweiß-/Beschichtungsverfahren verringern das Auftreten latenter Fehler, die zu internen Kurzschlüssen führen können, drastisch.

Betriebliche Praktiken, die das Risiko wesentlich verringern

Kontrollen in der Praxis sind ebenso wichtig wie technische Entscheidungen:

• Richtige Ladegeräte und Ladeprofile: Verwenden Sie Ladegeräte, die auf das LFP CC-CV-Fenster abgestimmt sind, und überschreiten Sie niemals die empfohlenen Spannungen pro Zelle; Überspannungen sind ein häufiger Auslöser für Ausfälle.

• Temperaturabhängige Verfahren: Vermeiden Sie das Laden oder Entladen außerhalb der vom Hersteller angegebenen Temperaturfenster und sorgen Sie für Belüftung oder Kühlung, wenn die Geräte in heißen Umgebungen betrieben werden.

• Routinemäßige Telemetrie und Trending: Die regelmäßige Überprüfung der BMS-Protokolle zur Erkennung eines steigenden Innenwiderstands, eines Zellungleichgewichts oder einer abnormalen Ladungsannahme ermöglicht ein planmäßiges Eingreifen lange vor der Gefahr.

• Regeln für Lagerung und Transport: Lagern Sie die Akkus bei mittlerem Ladezustand unter kühlen, trockenen Bedingungen; befolgen Sie die Versandvorschriften, um die mechanische und thermische Belastung zu minimieren.

Normen, Prüfung und Zertifizierung - was man von Lieferanten verlangen sollte

Es gibt Normen, weil kontrollierte Tests Schwachstellen aufdecken, die in der Praxis nicht auftreten können. Moderne Zertifizierungsprotokolle verlangen erzwungene Ausfall- und Ausbreitungstests, so dass der Ausfall einer einzelnen Zelle nicht zu einer Verpuffung führen darf. Beschaffungsteams sollten unabhängige Testnachweise verlangen (z. B. die Einhaltung einschlägiger UL- oder IEC-Normen) und um Einsicht in die Testprotokolle bitten, die zur Erstellung von Behauptungen verwendet werden. Diese Validierungen durch Dritte gehören zu den überzeugendsten Signalen, die ein Anbieter liefern kann, dass seine Akkus so konstruiert sind, dass sie interne Ausfälle eindämmen und überleben.

Reaktion auf einen Vorfall - praktische Schritte bei Überhitzung einer Zelle

Trotz bester Bemühungen kann eine Zelle ausfallen. Erstellen Sie einen Notfallplan, der die Erkennung, Isolierung und sichere Entsorgung umfasst:

1. Unmittelbare Isolierung: Unterbrechung der Lade- und Entladestromkreise durch BMS-Trennung oder manuelle Abschaltung.

2. Evakuierung und Belüftung: die Sicherheit des Personals in den Vordergrund stellen und den Bereich belüften, um giftige Gase zu zerstreuen.

3. Unterdrückung und Kühlung: Lassen Sie die Wärmeenergie sicher abfließen; versuchen Sie in den meisten Fällen nicht, eine brennende Batterie aggressiv zu kühlen oder zu durchstechen.

4. Forensik und Ersatz: nach dem Ereignis BMS-Protokolle und physische Beweise erfassen, um die Ursache zu ermitteln und Abhilfemaßnahmen einzuleiten.

Ein dokumentiertes, geübtes Vorgehen bei einem Vorfall reduziert Panik und beschleunigt die Wiederherstellung, während Menschen und Vermögenswerte geschützt werden.

Beschaffungs-Checkliste für LFP-Systeme mit geringem Risiko (Kurzanleitung)

• Erforderlich sind Telemetrie pro Zelle und Ausgleichs-BMS mit Fernprotokollierung.

• Verlangen Sie unabhängige Ausbreitungs- und Sicherheitstests nach anerkannten Normen.

• Überprüfung der Aufzeichnungen zur Qualitätssicherung und Rückverfolgbarkeit der Herstellung.

• Prüfen Sie die Kompatibilität des Ladegeräts und stellen Sie eine für die Temperatur geeignete Ladeinfrastruktur bereit.

• Legen Sie mechanische und thermische Einschließungsmaßnahmen im Verpackungsdesign fest.

Diese Anforderungen setzen den Sicherheitsvorteil der Chemie in vorhersehbare, überprüfbare Systemzuverlässigkeit um.

Letzter Gedanke - Chemie mit Disziplin verbinden

LiFePO₄ bietet im Vergleich zu vielen Lithium-Chemien eine erhebliche Sicherheitsspanne, aber Sicherheit in der Praxis entsteht durch Systemtechnik: Chemie, BMS, thermisches Design, Fertigungsdisziplin und Betriebskontrollen arbeiten zusammen. Unternehmen, die Batteriesicherheit als Programm - und nicht als Produkt - behandeln, sind diejenigen, die das Risiko des thermischen Durchgehens in der Praxis ausschließen. Bestehen Sie auf transparenten Daten, unabhängigen Tests und BMS-Telemetrie von Ihren Zulieferern, damit das seltene Ereignis zu einem überschaubaren technischen Problem und nicht zu einer Krise wird.