Darum gehen Batterien/Akkus kaputt: Die verschiedenen Ausfallarten von Batterien und Akkus

Batterien/Akkus sind zu einem wesentlichen Bestandteil unserer Infrastruktur geworden. Sie sorgen für unterbrechungsfreie Stromversorgung in Rechenzentren und erleichtern die Integration erneuerbarer Energien in unsere Stromnetze. Da wir heute mehr denn je auf Batterien/Akkus angewiesen sind, ist das Verständnis von Batterieausfällen nicht nur eine akademische Übung, sondern ein unverzichtbares Wissen für jeden, der für Batteriesysteme verantwortlich ist, unverzichtbares Wissen.

Die finanziellen Auswirkungen von Batterie-/Akkuausfällen sind beträchtlich. Wenn ein Batterie-/Akkusystem ausfällt, entstehen den Unternehmen nicht nur direkte Kosten für den Ersatz, sondern auch indirekte Kosten durch die Ausfallzeit des Systems, durch mögliche Schäden an den angeschlossenen Geräten und in einigen Fällen auch durch den Ausfallkritischer Dienste. Eine einzige Stunde Ausfallzeit in einem Rechenzentrum kann bis zu eine Million US-Dollar kosten.

Vor diesem Hintergrund werden im Folgenden die wichtigsten Ursachen für das Versagen von Batterien bzw. Akkus betrachtet

Fehlerarten für Bleiakkumulatoren

Bleiakkus gehören zu den am häufigsten verwendeten stationären Batterien. Obwohl sie zuverlässig sind und ihre Funktionsweise gut verstanden wird, können sie auf verschiedene Weise ausfallen. 

Korrosion des positiven Gitters

Die Korrosion des positiven Gitters ist ein chemischer Prozess, bei dem auch die Bleilegierung, die das positive Gitter des Akkus bildet, allmählich in Bleioxid umgewandelt. Dieser Prozess wird durch hohe Temperaturen, Überladung und übermäßige Zyklen beschleunigt. Obwohl ein gewisses Maß an Gitterkorrosion normal ist und zur Funktion der Batterie gehört, kann eine übermäßige Korrosion die Lebensdauer des Akkus erheblich verkürzen. Dies führt zu:

• Physikalische Ausdehnung der Platten
• Erhöhung des Innenwiderstands
• Reduzierte Leistung
• Möglicher Batterie-/Akkuausfall

Sulfatierung

Während der normalen Entladung reagieren die aktiven Materialien in einem Bleiakkumulator (Blei und Bleidioxid) mit Schwefelsäure und bilden Bleisulfat. Dieser Prozess ist natürlich und notwendig. Allerdings gibt es einen entscheidenden Unterschied zwischen dem weichen, normalen Bleisulfat, das sich bei einer normalen Entladung bildet, und dem problematischen kristallinen Sulfat, das sich unter bestimmten Bedingungen bilden kann. Die Sulfatierung ist weitgehend vermeidbar und normalerweise umkehrbar, kann aber dauerhaft werden, wenn die Akkus entladen bleiben, nicht ausreichend aufgeladen werden oder die regelmäßige Wartung vernachlässigt wird. Die Folgen sind:

• Verringerte Kapazität 
• Erhöhung des Innenwiderstands
• Physische Beschädigung der Platten

Interner Kurzschluss

Interne Kurzschlüsse entwickeln sich häufig mit der Zeit und werden daher oft erst dann erkannt, wenn bereits erheblicher Schaden entstanden ist. Im Gegensatz zu externen Kurzschlüssen, die in der Regel offensichtlich sind, laufen interne Kurzschlüsse still im Inneren der Batterie/des Akkus ab und können zu potenziell gefährlichen Situationen führen.

Interne Kurzschlüsse in Bleiakkus lassen sich in der Regel in zwei Kategorien unterteilen: Harte Kurzschlüsse und weiche (schleichende) Kurzschlüsse. Harte Kurzschlüsse werden in der Regel durch Verklumpen der Paste verursacht, was auf einen Herstellungsfehler zurückzuführen ist. Weiche Kurzschlüsse sind die Folge einer zu starken Tiefentladung, bei der das spezifische Gewicht so niedrig wird, dass sich das Blei im Elektrolyten auflöst. Dieses Blei bleibt in den Separatoren hängen und verursacht die Kurzschlüsse. Sowohl harte als auch weiche Kurzschlüsse verursachen:

• Sofortige Verringerung der verfügbaren Kapazität
• Übermäßige Wärmeentwicklung
• •              Möglicher thermischer Durchschlag
• In schweren Fällen Brandgefahr
• Freisetzung gefährlicher Gase

Austrocknung (VRLA-spezifisch)

Obwohl verschlossene Bleiakkus (VRLA) wartungsfrei konzipiert sind, kann ein spezifisches Problem auftreten: Austrocknung. Im Gegensatz zur gefluteten Ausführung kann das Elektrolyt bei verschlossenen Bleiakkus nicht wieder aufgefüllt werden. Das macht das Austrocknen zu einer sehr unbemerkten Fehlerart.

VRLA-Akkus können durch übermäßige Hitze, Überladung, schlechte Belüftung oder falsche Ladespannung Elektrolyt verlieren. Elektrolytverlust führt zu Folgendem:

• Erhöhung der Innenimpedanz
• Verringerte Kapazität
• Höhere Betriebstemperatur
• Verminderter Wirkungsgrad
• Kontaktverlust zwischen Elektrolyten und Platte
• Beschleunigte Alterung
• Möglicher thermischer Durchschlag
• Verkürzte Lebensdauer
• Unzuverlässige Leistung
• Höhere Betriebskosten
• Vorzeitiger Ausfall

Thermisches Durchgehen (VRLA-spezifisch)

Thermisches Durchgehen ist eine äußerst gefährlicher Fehlerart, die bei jeder Batterie- bzw. Akkutechnologie passieren kann. Bei Bleiakkus kommt es häufiger bei VRLA-Typen vor als bei VLA-Typen.  Im Gegensatz zu anderen Fehlerarten, die sich allmählich entwickeln, kann thermisches Durchgehen plötzlich auftreten und innerhalb weniger Stunden zu katastrophalen Ausfällen führen. Das thermische Durchgehen ist ein sich selbst verstärkender Prozess, bei dem sich Wärme und Strom in einer gefährlichen Spirale gegenseitig verstärken, wobei sich der Akku erwärmt und mehr Strom abgibt. Dadurch wird noch mehr Wärme erzeugt, wodurch der Akku noch mehr Strom abgibt und dieser Zyklus setzt sich bis zum Ausfall fort.

Die Früherkennung anhand der folgenden Kriterien ist entscheidend, um einen katastrophalen Ausfall zu verhindern:

• Hohe Temperatur
• Geringerer Widerstand 
• Erhöhter Strom 
• Gasproduktion übersteigt Rekombinationsrate
• Druckaufbau, Zwangslüftung
• Elektrolytverlust 

Fehlerarten für Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien haben die Energiespeicherung revolutioniert, verfügen jedoch über eigene, einzigartige Ausfallmodi.

Aufbau einer SEI-Schicht

Die Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase (Solid Electrolyte Interphase, SEI) ist eine Schicht, die für die Funktion einer Lithium-Ionen-Batterie unerlässlich ist. Während der Lebensdauer der Batterien nimmt ihre Stärke in Abhängigkeit von mehreren Faktoren zu. Das Wachstum der SEI-Schicht wirkt sich direkt auf die Impedanz der Batterien aus:

• Progressiver Anstieg der Impedanz
• Höherer Spannungsabfall bei Belastung
• Verringerung der maximalen Strombelastbarkeit
• Erhöhte Erwärmung im Betrieb

Lithiumplattierung

Die Lithiumplattierung ist einer der schwerwiegendsten Ausfallmodi bei Lithium-Ionen-Batterien, die potenziell zu katastrophalen Ausfällen führen kann. Im Gegensatz zu den allmählichen Abbauprozessen entstehen bei der Lithiumplattierung oft unmittelbare Sicherheitsrisiken, die nur durch sorgfältiges Management verhindert werden können. Wenn die Batterie normal funktioniert, lagern sich die Lithium-Ionen während des Ladevorgangs in die Graphitstruktur der Anode ein. Unter bestimmten Umständen reichern sich die Ionen jedoch auf der Anodenoberfläche an und es bilden sich metallische Lithiumablagerungen. Irgendwann wachsen dann Dendriten, und die Struktur wird instabil.

Die Lithiumplattierung birgt ernsthafte Sicherheitsrisiken:

• Interne Kurzschlüsse
• Mögliches thermisches Durchgehen
• Möglichkeit des Zellbruchs
• Kapazitätsverlust
• Erhöhung des Innenwiderstands
• Beschleunigte Alterung
• Zellungleichgewicht
• Mögliche Brandgefahr

Ungleichmäßige Alterung

Viele Alterungsprozesse sind normalerweise gleichmäßig über die gesamte Zelle verteilt, aber die Realität ist oft komplexer. Ungleichmäßige Alterung tritt auf, wenn verschiedene Teile der Zelle in unterschiedlich schnell altern. Dies führt zu punktuellen Schwachstellen, die erhebliche Auswirkungen auf die Leistung und Sicherheit haben können. Dies kann zu Folgendem führen:

• Verringerung der Gesamtkapazität
• Erhöhung des Innenwiderstands
• Ungleichmäßige Stromverteilung
• Variables Spannungsverhalten

BMS-Fehler

Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist die entscheidende Intelligenz, die den sicheren und effizienten Betrieb von Lithium-Ionen-Akkus gewährleistet. Ein Ausfall des BMS kann sowohl die Leistung als auch die Sicherheit der Batterie beeinträchtigen. Daher ist es entscheidend, diese Fehler zu kennen. BMS-Fehler können auf verschiedene Weise auftreten, wie z. B. Hardware-, Software- oder Kalibrierungsprobleme.

BMS-Fehler können schwerwiegende Auswirkungen auf die Sicherheit haben:

• Überlastungsrisiko
• Gefahr der Überentladung
• Fehler bei der Temperaturregelung
• Fehler bei der Strombegrenzung
• Fehlen kritischer Warnungen
• Verzögerte Reaktion beim Abschalten
• Fehlgeschlagene Notabschaltung
• Unzureichendes Thermomanagement
• Zellungleichgewicht
• Thermisches Durchgehen 
• Überlastung der Zellen
• Beschleunigte Alterung

Probleme mit dem Batterie-/Akkustrang

Neben dem Ausfall einzelner Batterien/Akkus sind auch Batterie-/Akkustränge für einen weiteren wichtigen Fehlerartenanfällig: die Verschlechterung der Verbindungen zwischen den Zellen bei nicht ordnungsgemäßer Wartung. Diese Verschlechterung ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen, darunter Korrosion, Vibrationen und wiederholte Temperaturänderungen. Wenn sich die Verbindungen verschlechtern, steigt ihr Widerstand. Dies kann unbemerkt bleiben, wenn der Strang nur einen geringen Erhaltungsladestrom leitet. Wenn er jedoch einen höheren Strom liefern muss, kann der erhöhte Widerstand der Verbindungen zu einer übermäßigen Erwärmung führen, was in einigen Fällen eine Brandgefahr darstellt. 

Die Verbindungen zwischen den Zellen sind oft das schwächste Glied in einem Batterie-/Akkustrang. Ihr Ausfall kann schwerwiegende Folgen haben:

• Hoher Widerstand
• Erhöhte Wärme
• Verminderte Kapazität
• Spannungsungleichgewicht

Prüfung und Vorbeugung: Der beste Schutz vor Batterie-/Akkuausfällen

Das Verständnis von Ausfallmustern ist wichtig, aber noch wichtiger ist es, Ausfälle durch ordnungsgemäße Prüfung und Wartung zu vermeiden Eine ordnungsgemäße Wartung und regelmäßige Prüfungen mit der richtigen Ausrüstung sind nicht nur eine gute Praxis, sondern unerlässlich für:

• Sicherstellung der Zuverlässigkeit des Systems
• Schutz von Investitionen
• Gewährleistung der Sicherheit
• Erfüllung von Verpflichtungen
• Optimierung der Leistung

Auf die Prüfung und Instandhaltung wird in einem späteren Beitrag näher eingegangen.

Fazit

Wie wir gesehen haben, können Akkus auf viele verschiedene Arten versagen, vom allmählichen Abbau der positiven Gitter in Bleiakkumulatoren bis hin zur potenziell gefährlichen Lithiumplattierung in Lithium-Ionen-Systemen. Die Kenntnis dieser Ausfallarten ist nicht nur ein akademisches Anliegen: Es geht um den Schutz kritischer Infrastrukturen, die Gewährleistung der Geschäftskontinuität und das Aufrechterhaltung der Sicherheit.

Einige Fehlerarten, wie z.B. die Sulfatierung oder die Bildung von SEI-Schichten, entwickeln sich langsam und stetig und beeinträchtigen allmählich die Leistung des Akkus Andere Fehlerarten, wie z. B. thermisches Durchgehen oder interne Kurzschlüsse, können sich schnell und dramatisch auswirken. Allen gemeinsam ist jedoch, dass es Warnsignale gibt, bevor es zu einem katastrophalen Ausfall kommt.

Aus diesem Grund sind regelmäßige Prüfungen und Wartungen so wichtig. Die Kosten für die Implementierung geeigneter Prüf- und Wartungsprogramme sind minimal im Vergleich zu den möglichen Folgen eines Batterie-/Akkuausfalls – die Folgen können von teurem Ersatz und Systemausfallzeiten bis hin zu schwerwiegenden Sicherheitsvorfällen reichen.

In unserem nächsten Beitrag werden wir uns damit befassen, wie Warnzeichen durch richtige Prüfung und Wartung erkannt werden können. Zu wissen, wie Batterien/Akkus ausfallen, ist nur der erste Schritt – viel wichtiger ist es zu wissen, wie Batterie-/Akkuausfälle verhindert werden können, ist noch viel wichtiger.