Forscher vergleichen Sicherheitsprofile von Lithium-Ionen-, Natrium-Ionen- und Festkörperbatterien

Eine britisch-polnische Forschungsgruppe kommt zu dem Schluss, dass die Sicherheitsbewertung von Batterietechnologien nicht allgemeingültig ist, sondern stark von den Anwendungsszenarien abhängt. Eines der Resultate: LFP-Batterien können hohe Mengen an Fluorwasserstoff abgeben, was ihren Ruf als „sicherste“ Zellchemie Frage stellt.

12. Februar 2026 Marija Maisch

Die Sicherheit von Batterietechnologien ist auch eine Abwägungsfrage, argumentiert eine britisch-polnische Forschungsgruppe.

Grafik: pv magazine

von ESS News

Der weltweite Übergang zu nachhaltigen Energiesystemen erfordert Batterietechnologien, die sowohl eine hohe Leistung als auch robuste Sicherheit bieten. Während Lithium-Ionen-Batterien derzeit den Markt dominieren, geben ihre Sicherheitseinschränkungen – insbesondere das durch brennbare flüssige Elektrolyte bedingte thermische Durchgehen – weiterhin Anlass zur Sorge.

Forscher der britischen Newcastle University haben in Zusammenarbeit mit der polnischen Feuerwehr-Akademie (Akademia Pożarnicza; APoż) einen umfassenden Vergleich von drei Schlüsseltechnologien durchgeführt: herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien, neuartige Natrium-Ionen-Batterien und Festkörperbatterien. Die Forscher argumentieren, dass die Widerstandsfähigkeit gegen thermisches Durchgehen zwar wichtig ist, für aussagekräftige Vergleiche zwischen verschiedenen Zellchemien aber ein ganzheitlicher, auf unterschiedliche Einsatzszenarien zugeschnittener und verschiedene Attribute einbeziehender Sicherheitsrahmen erforderlich ist.

Ihre Bewertung umfasst die Initiationsresistenz (also die Widerstandsfähigkeit gegen sicherheitsrelevante Veränderungen), die Fehlertoleranz, die mögliche Schwere von Fehlern (einschließlich maximaler Temperatur, Wärmeabgabe und Aufheizrate), Gasgefahren (Volumen, Entflammbarkeit, Toxizität), das Ausbreitungsrisiko und anwendungsspezifische Einschränkungen, wie beispielsweise den Unterschied zwischen Einschränkungen beim Seetransport und Speichersystemen mit aktiver Brandbekämpfung. Das Team erstellte eine detaillierte Sicherheitsgrundlage für Lithium-Ionen-Batterien und untersuchte Ausfallmechanismen unter thermischer, elektrischer und mechanischer Überbeanspruchung. Dazu gehörte die Analyse des Fortschreitens thermischer Instabilität, der Gasentwicklungsprofile und der Ausbreitungsdynamik von Zelle zu Zelle.

Die Forscher stellen fest, dass die Kathodenchemie über die Steuerung der Energiedichte und des Oxidationspotenzials maßgeblich die mögliche Schwere thermischer Ereignisse bestimmt. Hochenergetische Schichtoxide wie Lithium-Cobalt-Oxid (LiCoO₂) und nickelreiche Nickel-Mangan-Cobalt- (NMC-) Verbindungen bieten hohe Speicherkapazität, werden jedoch bei hoher Ladung strukturell instabil und setzen reaktiven Sauerstoff frei, der exotherme Reaktionen mit Elektrolytlösungsmitteln beschleunigt. Die thermische Stabilität nimmt mit steigendem Nickelgehalt ab: NMC-811 beginnt sich bei rund 215 Grad Celsius zu zersetzen, verglichen mit etwa 275 Grad Celsius bei NMC-111.

Lithium-Eisenphosphat (LFP) hingegen verfügt über eine robuste Olivinstruktur, die selbst bei Temperaturen über 300 Grad der Freisetzung von Sauerstoff widersteht, wodurch die Technologie weniger anfällig für abrupte Entladungsprozesse (Runaway) ist. Allerdings weist sie eine geringere Spannung und Energiedichte auf. Die Forscher betonen, dass beide Varianten – NMC wie LFP – unterschiedliche Risiken bergen, darunter die Entstehung brennbarer oder explosiver Gase unter extremen Bedingungen. LFP könne gegenüber NMC nicht einfach als „sicherer“ bezeichnet werden.

Natrium-Ionen-Batterien weisen bemerkenswerte Sicherheitsvorteile auf, darunter höhere Temperaturen für den Beginn des thermischen Durchgehens (220 bis 260 gegenüber 170 bis 220 Grad bei NMC-basierten Lithim-Ionen-Batterien), geringere Wärmefreisetzungsraten, einen reduzierten Wasserstoffgehalt austretender Gase (etwa 30 Prozent gegenüber 42 Prozent bei LFP) und die Möglichkeit, im spannungsfreien Zustand transportiert zu werden, was die logistischen Risiken erheblich senkt.

Festkörperbatterien, insbesondere Varianten auf Oxidbasis, stellen eine grundlegende Veränderung dar, weil sie keine brennbaren flüssigen Elektrolyte enthalten. Diese Systeme zeichnen sich durch eine außergewöhnliche thermische Stabilität (bis über 600 Grad Celsius), eine minimale Gasentwicklung und deutlich langsamere Wärmeausbreitungsraten aus (0,3 bis 0,9 Grad/Minute gegenüber 9 bis 11 Grad/Minute bei NMC-Zellen mit hohem Nickelanteil).

Die Forscher betonen jedoch, dass Sicherheitsbewertungen stark vom Anwendungskontext abhängen. Die überlegene thermische Stabilität von LFP kann in verschiedenen Schadensszenarien durch hohe Konzentrationen von Fluorwasserstoff wettgemacht werden. Sulfidbasierte Festkörperbatterien wiederum können bei Feuchtigkeitseinwirkung Risiken durch Schwefelwasserstoff bergen.

In ihrer im Journal of Power Sources veröffentlichten Arbeit „Comparative Safety Analysis of Current and Next-Generation Battery Technologies” kommen die Autoren zu dem Schluss, dass „der Weg zu einer sichereren Energiespeicherung eine fortlaufende Entwicklung und kein einmaliges Ziel ist”. Während Festkörperarchitekturen langfristig eine inhärente Verbesserung der Sicherheit versprechen, betrachten die Forscher Natrium-Ionen-Technologie als praktikable kurzfristige Verbesserung. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Systemen werde indes unerlässlich sein, um die Sicherheit der riesigen bereits installierten und in naher Zukunft zu erwartenden Flotte von Batteriespeichern mit dieser Technologie zu gewährleisten. Letztendlich werde eine batteriegestützte Zukunft der Energieversorgung auf einem vielfältigen Portfolio von Technologien beruhen, die jeweils aufgrund ihres spezifischen Gleichgewichts zwischen Leistung, Kosten und – was am wichtigsten ist – einem streng validierten Sicherheitsprofil ausgewählt werden.

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