Warum bläht sich die Batterie auf?

Abstrakt

Schwellungen in Lithium-basierten Batterien, die in unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) verwendet werden, sind ein kritisches Degradationsphänomen, das die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit direkt beeinträchtigt. Diese Arbeit bietet eine erweiterte und systematische Untersuchung der physikochemischen Mechanismen, die für das Schwellen verantwortlich sind, unterscheidet zwischen schwellungsbedingten Verhaltensweisen im Betrieb und bei der Lagerung, bewertet die damit verbundenen Gefahren und schlägt wissenschaftlich fundierte präventive Strategien vor. Durch die Integration elektrochemischer Theorien mit UAV-spezifischen Nutzungsmustern zielt diese Studie darauf ab, einen sichereren Drohnenbetrieb zu unterstützen und zukünftige Verbesserungen von Batteriemanagementsystemen (BMS) zu fördern.

1. Einleitung

Lithium-Ionen (Li-ion) und Lithium-Polymer (LiPo) Akkus sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte, leichten Bauweise und stabilen Entladeeigenschaften zu den dominierenden Energiequellen für UAVs geworden. Da die Anwendungen von UAVs sich zunehmend auf Bereiche wie Luftbildvermessung, präzise Landwirtschaft, Notfallreaktion und industrielle Inspektion ausdehnen, gewinnt die Zuverlässigkeit der bordeigenen Stromversorgungssysteme immer mehr an Bedeutung.
Trotz ihrer Vorteile neigen Lithium-Akkus zur Alterung, wenn sie thermischen Belastungen, mechanischen Stößen, unsachgemäßem Laden oder ungeeigneten Lagerbedingungen ausgesetzt sind. Unter den verschiedenen Alterungsformen hat sich das Aufblähen des Akkus – gekennzeichnet durch eine ungewöhnliche Ausdehnung des Zellbeutels oder Gehäuses – als ein bedeutendes Sicherheitsrisiko herauskristallisiert. Das Aufblähen verringert nicht nur die Leistung des Akkus, sondern erhöht auch die Gefahr von Brand, Platzen und Freisetzung giftiger Gase.
Dieses Papier erweitert die bestehende Forschung, indem es eine detaillierte Analyse der Schwellmechanismen, beitragenden Faktoren und präventiven Maßnahmen bereitstellt, die auf die Betriebsumgebungen von UAVs zugeschnitten sind.

2. Klassifizierung von Batterieschwellphänomenen

2.1 Temporäres Schwellen während des Betriebs unter hoher Last

Während anspruchsvoller Flugmissionen können UAV-Batterien aufgrund hoher Entladeströme einen schnellen Temperaturanstieg erfahren. Aktivitäten wie schnelle Beschleunigung, Schweben bei starkem Wind oder das Tragen schwerer Nutzlasten erhöhen die innere Widerstandserwärmung erheblich.
Wenn die Zelltemperatur den empfohlenen Betriebsschwellenwert überschreitet (typischerweise über 40–45 °C), beginnen parasitäre Reaktionen stattzufinden. Dazu gehören die teilweise Zersetzung von Elektrolytlösungsmitteln und die Destabilisierung der festen Elektrolytzwischenschicht (SEI). Die dabei entstehenden gasförmigen Nebenprodukte – üblicherweise CO₂, H₂ und Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Molekulargewicht – sammeln sich im geschlossenen Batteriegehäuse an.

Diese Form der Schwellung ist in der Regel reversibel. Sobald die Batterie abkühlt, nimmt der Innendruck ab und das Gehäuse kann wieder seine ursprüngliche Form annehmen. Allerdings beschleunigt eine wiederholte Belastung durch hohe Temperaturen den Zerfall der SEI-Schicht, erhöht den Innenwiderstand und fördert eine langfristige Degradation. Langfristig kann vorübergehende Schwellung in irreversible Schwellung übergehen, wenn die thermische Belastung anhält.

2.2 Irreversible Schwellung während der Lagerung

Eine Schwellung, die während der Lagerung auftritt, ist typischerweise schwerwiegender und weist auf einen permanenten inneren Schaden hin. Im Gegensatz zur betriebsbedingten Schwellung, die oft temperaturbedingt ist, steht die lagerungsbedingte Schwellung hauptsächlich im Zusammenhang mit elektrochemischer Instabilität und langfristiger Degradation.

2.2.1 Zyklusbedingte Alterung

Lithiumbasierte Batterien durchlaufen bei jedem Lade-Entlade-Zyklus strukturelle und chemische Veränderungen. Über Hunderte von Zyklen hinweg verdickt sich die SEI-Schicht, aktives Material wird abgetrennt und die Elektrodenporosität nimmt ab. Diese Veränderungen erhöhen den Innenwiderstand und fördern gasbildende Reaktionen.
Wenn die Batterie das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht, können bereits geringe Belastungen – wie eine leichte Überladung oder milde Temperaturschwankungen – Quellen auslösen.

2.2.2 Unsachgemäße Lagerungsbedingungen

Mehrere lagerungsbedingte Faktoren erhöhen das Risiko für Quellen erheblich:
● Tiefentladung (<3,0 V pro Zelle) kann zur Auflösung von Kupfer aus dem Anodenstromabnehmer führen, was zu inneren Kurzschlüssen führt.
● Mechanische Beschädigungen können den Separator beschädigen und direkten Kontakt zwischen den Elektroden ermöglichen.
● Feuchtigkeitseintritt reagiert mit Elektrolytbestandteilen und erzeugt Wärme und Gas.
● Lagerung bei extremen Ladezuständen beschleunigt die Oxidation des Elektrolyts und destabilisiert die SEI-Schicht.
● Hochtemperatur-Lagerung (30 °C) erhöht die Reaktionsgeschwindigkeiten und die Gasbildung.
Diese Faktoren tragen gemeinsam zu einer irreversiblen Quellung bei, die häufig von Kapazitätsverlust und Spannungsinstabilität begleitet wird.

3. Physikochemische Mechanismen der Quellung

3.1 Elektrolytzerfall

Elektrolyte auf Basis organischer Carbonate sind thermisch empfindlich. Bei Einwirkung hoher Temperaturen oder Überspannungen zerfallen sie in gasförmige Nebenprodukte. Dieser Zerfall ist eine der Hauptursachen für die Quellung.

3.2 Lithium-Abscheidung und Dendritenbildung

Das Laden bei niedrigen Temperaturen oder hohen Spannungen kann dazu führen, dass sich metallisches Lithium auf der Anodenoberfläche abscheidet. Die Lithium-Abscheidung verringert die Kapazität und erhöht den Innenwiderstand. Noch kritischer ist, dass metallisches Lithium hochreaktiv ist und gasbildende Reaktionen mit Elektrolytlösungsmitteln einleiten kann.

3.3 Instabilität der SEI-Schicht

Die SEI-Schicht ist entscheidend für die Stabilisierung der Anoden-Elektrolyt-Grenzfläche. Thermische Belastung, Überladung oder mechanische Verformung können jedoch zu Rissen in der SEI führen. Wiederholte Zerstörung der SEI verbraucht Elektrolyt und erzeugt Gas, was zur Aufblähung beiträgt.

3.4 Separator-Zersetzung

Der Separator ist eine poröse Polymermembran, die einen direkten Kontakt zwischen den Elektroden verhindert. Mechanische Einwirkung, Überhitzung oder Herstellungsfehler können den Separator schwächen. Ist dieser beschädigt, können innere Kurzschlüsse auftreten, die zu einer schnellen Wärmeentwicklung und Gasbildung führen.

4. Erkennung und Beurteilung aufgeblähter Batterien

Die frühzeitige Erkennung von Aufblähungen ist entscheidend, um Unfälle zu vermeiden. Wichtige Hinweise hierfür sind:
● Sichtbare Verformung oder Ausdehnung des Batteriegehäuses
● Schwierigkeiten beim Einsetzen oder Entfernen der Batterie aus der Drohne
● Süßlicher oder scharfer chemischer Geruch
● Reduzierte Flugzeit oder instabiler Spannungsausgang
● Erhöhte Temperatur während des Lade- oder Entladevorgangs
Aufgeblähte Batterien müssen sofort außer Betrieb genommen werden. Versuche, die Batterie zu durchstechen oder zu komprimieren, um den Innendruck abzulassen, sind äußerst gefährlich und können eine Zündung auslösen.

5. Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit Aufquellen

5.1 Brand- und thermische Durchgehreaktion
Interne Kurzschlüsse oder exotherme Reaktionen können eine thermische Durchgehreaktion auslösen, einen selbstbeschleunigenden Prozess, der zu einem Brand führen kann.

5.2 Mechanische Beschädigung
Übermäßiger Innendruck kann dazu führen, dass das Batteriegehäuse platzt und heiße Gase sowie entzündliche Elektrolyte freisetzt.

5.3 Freisetzung giftiger Gase
Zersetzungsprodukte des Elektrolyts können schädliche organische Dämpfe enthalten, die Atemwegsgefahren darstellen.

5.4 Strukturelle Schäden am UAV
Eine aufgeblähte Batterie kann das Batteriefach des UAV verformen, Anschlüsse beschädigen oder die Kühlungssysteme beeinträchtigen.

6. Vorbeugende Strategien

6.1 Lade-Management
● Verwenden Sie vom Hersteller genehmigte Ladegeräte und vermeiden Sie Schnellladen, sofern dies nicht ausdrücklich unterstützt wird.
● Lassen Sie Batterien während des Ladevorgangs nicht unbeaufsichtigt.
● Beenden Sie das Laden nach Erreichen der vollen Kapazität und führen Sie regelmäßig eine Zellspannungsabgleichung durch.
● Vermeiden Sie das Laden unmittelbar nach dem Flug; gewähren Sie eine ausreichende Abkühlzeit.

6.2 Thermische Steuerung
● Lagern Sie Batterien an einem kühlen, trockenen Ort.
● Vermeiden Sie es, UAVs über längere Zeit direkter Sonneneinstrahlung auszusetzen.
● Verwenden Sie feuerbeständige oder thermisch isolierte Behälter beim Transport.

6.3 Speicherplatzoptimierung
● Halten Sie einen Ladezustand von 40–60 % für die Langzeitlagerung aufrecht.
● Laden Sie alle 1–3 Monate erneut auf, um Tiefentladung zu vermeiden.
● Lagern Sie Batterien einzeln, um thermische Ausbreitung zu verhindern.

6.4 Mechanischer Schutz
● Vermeiden Sie das Fallenlassen oder Zusammendrücken der Batterie.
● Schützen Sie vor Feuchtigkeit und Vibrationen.
● Überprüfen Sie regelmäßig auf Anzeichen von Verschleiß oder Verformung.

6.5 Betriebsüberwachung
● Verfolgen Sie Zykluszahlen und Leistungskennzahlen über Flugsteuerungssysteme.
● Ersetzen Sie Batterien, die ein abnormales Spannungsverhalten oder eine Kapazitätsabnahme zeigen.
● Halten Sie die Firmware aktualisiert, um von verbesserten Algorithmen des Batteriemanagements zu profitieren.

7. Schlussfolgerung

Eine Ausdehnung der Batterie in UAV-Systemen ist ein multifaktorielles Phänomen, das durch thermische Belastung, elektrochemische Alterung, mechanische Beschädigung und unsachgemäße Lagerpraktiken verursacht wird. Während eine vorübergehende Ausdehnung während des Betriebs reversibel sein kann, deutet eine Ausdehnung während der Lagerung typischerweise auf einen irreversiblen internen Defekt hin.
Durch die Anwendung wissenschaftlich fundierter Lade-, Lager- und Überwachungspraktiken können Anwender die Häufigkeit von Ausdehnungen erheblich reduzieren und die Sicherheit von UAVs erhöhen. Obwohl Fortschritte in der Batteriechemie und den Batteriemanagementsystemen die Zuverlässigkeit weiter verbessern werden, bleibt das Bewusstsein der Anwender ein entscheidender Faktor zur Verhinderung schwellingbedingter Gefahren.