Ein brennendes Auto auf der Straße steht vor zwei Polizeiautos mit blinkender Sirene.

Grundsätzlich stellt die gespeicherte Energie in der Batterie ein vergleichbares Brandrisiko dar wie ein Benzintank. Bild: PhotoSpirit / Adobe Stock

| von Fabian Pertschy

Je mehr Videos von lichterloh brennenden Elektrofahrzeugen kursieren, desto hartnäckiger hält sich das Gerücht, sie seien entzündlicher als ein Verbrenner. Gestützt wird diese Befürchtung durch Rückrufaktionen der Hersteller: Jüngst verkündete Hyundai, dass bei über 80.000 Fahrzeugen verschiedener Modelle das Batteriesystem ersetzt werden muss. Bereits im vergangenen Jahr wurde der Brand eines Kona Elektro auf eine fehlerhafte Software zurückgeführt. Und auch der deutsche Premiumhersteller Audi rief den frisch ausgelieferten E-Tron kurz nach der Markteinführung zurück – eine Vorsichtsmaßnahme. Laut einem Bericht des Handelsblatts handelte es sich möglicherweise um eine fehlerhafte Dichtung, durch die Feuchtigkeit in das Batteriesystem gelangen könnte.

Ursachen für eine erhöhte Brandgefahr

Doch sind Elektroautos abseits von Produktionsmängeln wirklich das drohende flammende Inferno, zu dem sie stilisiert werden? Grundsätzlich stellt die gespeicherte Energie in der Batterie ein vergleichbares Brandrisiko dar wie ein Benzintank. Dieses kann aufgrund von mechanischen Einwirkungen, etwa bei einem Unfall, thermischen Umständen wie Hitze oder Kälte sowie elektrischen Einflüssen zutage treten. Paradebeispiel für letztere Fälle ist das Überladen. „Aktuell gibt es keinerlei Hinweise darauf, dass Elektroautos mit oder ohne Unfalleinwirkung eher zum Brennen neigen als Autos mit Verbrennungsmotor“, entgegnet der ADAC den Sorgenträgern. Immerhin würden Schutzmechanismen vor allen drei Einwirkungen absichern.

Forscher der Universität Ulm haben sich mit derartigen Beschwichtigungen jedoch nicht abgefunden. Sie wollten herausfinden, warum lithiumbasierte Batterien hochexplosiv sein können. Ihre Antwort: Dendriten. Dabei handelt es sich um astartige Auswüchse, die beim Aufladen der Akkus entstehen. Bisher war laut den Wissenschaftlern nicht bekannt, weshalb Metalle wie Lithium solche Dendriten bilden, während dies bei Silber oder Kupfer nicht der Fall ist und etwaige Materialien die gefährlichen Kristallstrukturen erst bei sehr großer Spannung formieren. Mittels eines Modells auf atomarer Ebene legten Wolfgang Schmickler und Elizabeth Santos vom Institut für Theoretische Chemie dar, wie und warum Dendriten entstehen.

So entstehen Dendriten im Akku

Um Kurzschlüsse und somit Brände zu vermeiden, werden Lithium-Ionen normalerweise in Graphit eingelagert. Dadurch erhöht sich das Volumen und Gewicht der Akkus – die Reichweite des Autos sinkt. Batterien mit einer reinen Lithium-Elektrode hätten hingegen eine deutlich höhere Energiedichte, neigen jedoch zur Dendritenbildung, so die Forscher. Diese Auswüchse entstehen allmählich beim Aufladen an der negativen Elektrode. Erreichen die Dendriten die Gegenelektrode, können sie im Zusammenspiel mit entflammbaren Elektrolyten einen Kurzschluss verursachen. Auf dem Ulmer Supercomputer JUSTUS 2 führten die Chemiker deshalb quantenchemische Berechnungen mithilfe einer Weiterentwicklung der Density-functional theory (DFBT+) durch.

Eine Visualisierung zur Dendritenbildung in Akkus.
Die negative Ladung konzentriert sich auf den Spitzen von Vorsprüngen und zieht positiv geladene Lithium-Ionen an. Bild: Schmickler/Santos; Universität Ulm

Ihre Ergebnisse legen folgendes Szenario nahe: Jedes Metall verfügt über einen sogenannten Ladungsnullpunkt. Wird das Metall bei Potenzialen unterhalb dieses Ladungsnullpunkts – also bei einer negativ geladenen Elektrode – abgeschieden, entstehen die kristallartigen Dendriten. „Bei der Abscheidung bilden sich immer wieder kleine Unebenheiten wie Vorsprünge auf der Oberfläche. Den Gesetzen der Elektrostatik folgend konzentriert sich die negative Ladung auf den Spitzen solcher Cluster und zieht die positiv geladenen Lithium-Ionen an. Somit wachsen diese Spitzen weiter und bilden schließlich Dendriten“, erklärt Schmickler.

Autohersteller stehen vor weiterer Herausforderung

Darüber hinaus konnten die Forscher ein weiteres Phänomen nachweisen, das zu dieser Entwicklung beiträgt: Die negative Ladung verkleinere die Oberflächenspannung und fördere damit die Entstehung von Vorsprüngen auf der Oberfläche. Santos und Schmickler vergleichen diesen Vorgang mit Spülmittel, das die Bildung von Blasen im Wasser erleichtert. Mit ihrem Modell haben sie diese Forschungserkenntnisse erstmals auch auf andere Metalle übertragen und dadurch erklärt, warum beispielsweise Kupfer keineswegs anfällig für diesen Vorgang ist. „Bei Metallen wie Kupfer oder Silber ist die Oberfläche bei der Abscheidung positiv geladen. Bildet sich dort ein kleiner Vorsprung auf der Oberfläche, sammelt sich eine positive Ladung an. Diese stößt die positiv geladenen Metall-Ionen ab, das Cluster kann nicht weiterwachsen und Dendriten bilden“, erläutert Santos.

Für die Entwicklung hochleistungsfähiger Batterien sind diese Erkenntnisse zunächst theoretischer Natur. Wie die Automobilhersteller sie zu verwerten haben, bleibt ungeklärt. „Im Prinzip sagt unser Modell voraus, wie sich die Bildung von Dendriten in aufladbaren Batterien vermeiden lässt. Hierfür wäre allerdings ein Lösungsmittel erforderlich, das widersprüchliche Anforderungen erfüllt. Daher haben unsere Ergebnisse zunächst vor allem theoretische Relevanz“, betonen die beiden Forscher. Elektroautos sind aufgrund der Schutzmaßnahmen somit nicht generell gefährlicher als ein Verbrenner, doch die Entwicklung leistungsfähigerer Batterien steht vor einer weiteren Herausforderung – mit kristallartiger Struktur.

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