Warum thermisches Durchgehen bei Verbraucher-Li-Ionen-Batterien selten ist?

Thermische Durchgehreaktionen bei Verbraucherbatterien (wie Lithium-Ionen-Batterien in Mobiltelefonen, Laptops und anderen Geräten) sind relativ selten, hauptsächlich aufgrund ihres konservativen Designs, redundanter Sicherheitsmechanismen, kontrollierbarer Nutzungsszenarien und strenger brancheninterner Überwachung.

1. Technisches Design: konservative Strategie reduziert Risiken

• Geringe Kapazität und niedrige Energiedichte

Kapazitätsgrenzen: Verbraucherbatteriezellen weisen typischerweise eine Kapazität zwischen 1000 mAh und 5000 mAh auf (z. B. Handy-Akkus, etwa 3000–5000 mAh), was deutlich niedriger liegt als bei Leistungsbatterien (z. B. Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge, die 50–100 kWh erreichen können). Kleinkapazitätsbatterien setzen bei thermischem Durchgehen nur begrenzte Energie frei, wodurch selbst im Fehlerfall gewalttätige Verbrennungen oder Explosionen unwahrscheinlicher sind.

Energiedichtebilanz: Um Sicherheit und Lebensdauer der Batterie in Einklang zu bringen, verwenden Verbraucherbatterien häufig ein ausgereiftes System mit Graphitanode und Lithium-Kobaltoxid (LiCoO₂)/Ternärkathode, anstatt eine Siliziumanode und Hoch-Nickel-Kathode (wie NCM811/NCA) einzusetzen, die auf maximale Energiedichte abzielen. LiCoO₂-Kathoden weisen eine bessere chemische Stabilität gegenüber hoch-nickelhaltigen Materialien auf und verringern so das Risiko eines thermischen Durchgehens.

• Strukturelle Optimierung und Wärmeableitungsdesign

Kompakte Bauweise: Geräte der Unterhaltungselektronik verfügen über begrenzten internen Platz, und Batterien sind oft eng mit der Hauptplatine und dem Kühlsystem integriert. Hersteller nutzen Konstruktionen wie Graphen-Kühlkörper, Flüssigkühlrohre und Wärmerohre, um die Wärmeableitung zu beschleunigen und lokale Überhitzung zu verhindern. Zum Beispiel verwenden Gaming-Smartphones eine mehrschichtige Kühlstruktur, um die Batterie vor längerer Hitzebelastung zu schützen.

Explosionssichere Konstruktion: Das Batteriegehäuse besteht aus flammhemmendem PC/ABS-Material, das die Ausbreitung eines Feuers auch bei innerer Verbrennung verlangsamen kann; einige Geräte füllen Aerogel oder Phasenwechselmaterial um die Batterie herum ein, um Wärme zu absorbieren und Sauerstoff abzuschirmen.

• Sicherheitsventil- und Membrantechnologie

Sicherheitsventil: Wenn der Innendruck der Batterie zu hoch wird (wie in den Anfangsstadien eines thermischen Durchlaufs), öffnet sich das Sicherheitsventil und entlässt Gas, um eine Explosion zu verhindern.

Keramikbeschichteter Separator: Eine keramische Schicht wird auf die Oberfläche eines konventionellen Polyethylen-(PE)-Separators aufgebracht, um dessen Hochtemperaturbeständigkeit zu verbessern. Auch im Falle eines lokalen Kurzschlusses zieht sich der Separator nicht schnell zusammen, wodurch ein Kontakt zwischen positiven und negativen Elektroden vermieden wird, sodass eine thermische Durchgehreaktion verhindert wird.

2. Sicherheitsmechanismus: mehrfache Schutz-Redundanzkonstruktion

• Weiterentwicklung des Batteriemanagementsystems (BMS)

Überladungs-/Tiefentladungsschutz: Wenn die Batteriespannung 4,35 V (Überladeschwelle) erreicht, unterbricht das BMS den Ladekreis; wenn die Spannung unter 2,5 V fällt, wird die Entladung gesperrt, um Beschädigungen der Batterie zu vermeiden.

Temperaturüberwachung: Der integrierte Temperatursensor überwacht die Batterietemperatur in Echtzeit. Wenn die Temperatur 45 °C überschreitet, wird eine Kühlung (z. B. durch Reduzierung der Ladeleistung) oder eine Warnung aktiviert. Bei zu hoher Temperatur (z. B. über 60 °C) wird die Stromversorgung direkt abgeschaltet.

Aktuelle Einschränkung: Wenn der Entladestrom zu groß ist (z. B. bei einem Kurzschluss), löst das BMS einen Sicherungsmechanismus aus oder begrenzt die Ausgangsleistung, um eine Überhitzung durch Stromüberlast zu verhindern.

• Konservative Schnellladestrategie

Die Schnellladung von Verbraucherbatterien erfolgt üblicherweise in Segmenten (z. B. zunächst konstanter Strom, dann konstante Spannung) und wechselt, sobald die Batterieladung 80 % erreicht hat, auf Erhaltungsladung, um die Wärmeansammlung zu reduzieren.

Ladeleistungsbegrenzung: Beispielsweise liegt die Schnellladeleistung von Mobiltelefonen meist zwischen 20 und 100 W, was deutlich niedriger ist als die Schnellladung von Elektrofahrzeugen mit 150 kW und mehr, wodurch das Risiko einer thermischen Selbstentzündung verringert wird.

• Verbesserte Flammwidrigkeit von Materialien

Flammschutzmittel (wie Phosphate) werden dem Elektrolyten zugesetzt, um die Verbrennungsreaktion zu hemmen;

Die Oberfläche des positiven Elektrodenmaterials ist mit einer inerten Schicht wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) beschichtet, um Nebenreaktionen mit dem Elektrolyten zu reduzieren und die Wärmeentwicklung zu verringern.

3. Anwendungsszenario: kontrollierte Umgebung und standardisierte Bedienung

• Schonende Nutzungsumgebung

Geräte der Unterhaltungselektronik werden typischerweise bei Raumtemperatur (0–40 °C) verwendet und selten extremen Temperaturen ausgesetzt, wie beispielsweise hohen Temperaturen (z. B. im Auto in direkter Sonneneinstrahlung) oder niedrigen Temperaturen. Im Gegensatz dazu müssen Leistungsbatterien an einen weiten Temperaturbereich von -30 °C bis 60 °C angepasst sein, was ein höheres Risiko eines thermischen Durchgehens birgt.

• Vorgaben zum Ladeverhalten

Benutzer verwenden in der Regel das Original-Ladegerät (mit passender Ausgangsleistung), um Überladung oder Überspannung zu vermeiden;

Vermeiden Sie langes Aufladen über Nacht: Viele Geräte (wie Mobiltelefone) stoppen das Laden automatisch, sobald sie vollständig aufgeladen sind, wodurch die Zeit verkürzt wird, in der sich der Akku im vollständig geladenen Zustand befindet (ein vollständig geladener Akku weist eine hohe chemische Aktivität auf und birgt ein leicht erhöhtes Risiko einer thermischen Überhitzung).

• Vollständiger physikalischer Schutz

Das Gehäuse des Geräts ist mit Fall- und Stoßschutz konzipiert (z. B. verdickte Telefonrahmen und verstärkte Ecken), um das Risiko von Batteriekurzschlüssen durch mechanische Beschädigungen zu verringern.

Verhindern Sie, dass metallische Fremdkörper die Batterie durchstoßen: Benutzer legen normalerweise keine metallischen Gegenstände wie Schlüssel direkt mit der Batterie in Kontakt, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses reduziert wird.

4. Branchenaufsicht: strenge Standards und Verantwortlichkeit

• Internationale Sicherheitszertifizierung

UL 1642: Prüft die Sicherheit der Batterie unter extremen Bedingungen wie Überladen, Kurzschluss, Quetschung und Durchstechung;

IEC 62133: Legt die Leistungsanforderungen an Batterien unter Hochtemperatur-, Niedrigtemperatur-, Vibrations- und anderen Umgebungsbedingungen fest;

GB 31241: Chinesischer Pflichtstandard, der die Flammzeiten nach thermischem Durchgehen der Batterie vorschreibt (muss ≤30 Sekunden betragen).

Verbraucherbatterien müssen UL-, IEC-, GB- und andere Standardzertifizierungen bestehen, zum Beispiel:

• Rückruf- und Haftungssystem

Wenn bei den Batterien einer bestimmten Marke häufig thermisches Durchgehen auftritt, muss der Hersteller eine Rückrufaktion einleiten (wie beim Samsung Galaxy Note 7) und rechtliche Verantwortung übernehmen. Dieser Druck zwingt Unternehmen dazu, die Qualität streng zu kontrollieren und die Einhaltung von Sicherheitsvorschriften in jedem Prozess – von der Beschaffung der Rohmaterialien bis zur Produktion – sicherzustellen.

5. Vergleich von Traktionsbatterien: Warum ist das Risiko des thermischen Durchgehens höher?

• Große Kapazität und hohe Energiedichte

Leistungsbatterien bestehen aus Tausenden von Zellen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind. Die kombinierte Energie jeder Zelle verstärkt die zerstörerische Wirkung des thermischen Durchgehens. Zum Beispiel hat der Batteriesatz des Tesla Model 3 eine Kapazität von etwa 75 kWh, und die beim thermischen Durchgehen freigesetzte Energie entspricht 15 kg TNT.

• Komplexe Nutzungsumgebung

Elektrofahrzeuge müssen mit mehreren Herausforderungen wie hohen und tiefen Temperaturen, Vibrationen und Kollisionen umgehen. Die Gleichmäßigkeit der Batteriezellen ist schwer sicherzustellen, und lokale Alterung oder Beschädigung kann eine Kettenreaktion auslösen.

• Schnellladen und hohe Leistungsanforderungen

Die Hochleistungsbatterie muss Schnellladen mit mehr als 150 kW unterstützen. Das Laden und Entladen mit hohem Strom verursacht eine ungleichmäßige Temperatur innerhalb der Batteriezelle und erhöht so das Risiko eines thermischen Durchgehens.

6. Zusammenfassend

Thermisches Durchgehen ist bei Verbraucherbatterien seltener, was auf ein konservatives technisches Design, redundante Sicherheitsmechanismen, kontrollierbare Nutzungsszenarien und strenge branchenweite Aufsicht zurückzuführen ist.