Studie zeigt Forschungsbedarf bei Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien auf

Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) die Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien als nachhaltige Alternative zu Lithium-Ionen-Akkus. Beteiligt waren die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) und das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik (EMI). Die Studie zeigte, dass bewährte Sicherheitsmechanismen nicht automatisch für alle Batterietechnologien wirksam sind. Sie müssen gezielt an die chemische Zusammensetzung und das Zelldesign der neuen Akkus angepasst werden.

Simulierte Beschädigung: Sicherheitstest für Natrium-Akkus

Die mechanische Beschädigung eines Natrium-Ionen-Akkus wurde durch einen Nagelpenetrationstest simuliert. Dieses international anerkannte Verfahren bewertet das Sicherheitsverhalten von Batterien, indem eine Zelle absichtlich mit einem Metallstift durchbohrt wird, um ein kritisches Schadensereignis auszulösen.

Ziel war es, herauszufinden, ob der Akku dabei in eine gefährliche thermische Reaktion gerät, bei der sich die Zelle stark erhitzt und möglicherweise entzündet oder explodiert. Das Problem ist bei Lithium-Ionen-Batterien bekannt. Weiterhin wollte man testen, ob die eingebauten Sicherheitsmechanismen greifen. Aufgrund ihrer ressourcenschonenden Materialien und potenziellen Kostenvorteile gelten Natrium-Ionen-Batterien als vielversprechende Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen.

Röntgenblick: Akku-Reaktionen in Echtzeit

Mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen in einer speziellen Prüfkammer konnten man die inneren Abläufe in Natrium-Ionen-Akkus während eines kritischen Ereignisses erstmals in Echtzeit sichtbar machen. Im direkten Vergleich wurden auch zwei andere Batterietypen untersucht. Dies waren eine gängige Lithium-Ionen-Batterie (NMC-Kathode) und die als besonders sicher geltende Lithium-Eisenphosphat-Batterie.

Die untersuchten Batterietypen zeigten deutliche Verhaltensunterschiede: Die Lithium-Eisenphosphat-Batterie war besonders stabil, und die Lithium-Ionen-Batterie (NMC) reagierte kontrolliert. Überraschend war der nahezu explosionsartige Verlauf beim Natrium-Ionen-Akku. Ursache war hier nicht die Zellchemie, sondern ein Versagen des Entlüftungssystems: Der schnelle Druckanstieg verstopfte die Entlüftung, was zur abrupten und heftigen Reaktion führte.

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass Sicherheitsmechanismen nicht einfach von einer Batterietechnologie auf eine andere übertragen werden können“, erklärt der Leiter des Batterietestzentrums Nils Böttcher. „Gerade bei neuen Batterietypen wie Natrium-Ionen-Zellen müssen mechanische Komponenten wie Entlüftungssysteme gezielt angepasst und getestet werden. Unsere Ergebnisse stellen die grundsätzliche Sicherheit der Natrium-Ionen-Technologie nicht infrage, aber sie unterstreichen die Notwendigkeit, chemische Zusammensetzung und Sicherheitsdesign gemeinsam zu betrachten. Die BAM wirkt daher aktiv an der Entwicklung von Standards und Normen im Bereich der Sicherheit von Natrium-Ionen-Batterien mit.“

Quelle

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) (11/2025)