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Worauf es bei Lithium-Ionen-Batterien für Medizingeräte ankommt

| Autor/ Redakteur: Michael Abert, Karsten Pinkwart / Kathrin Schäfer

Der Einsatz wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Batterien (LiB) in Medizingeräten ermöglicht mehr Mobilität. Denn aufgrund der hohen Energiedichte heutiger LiB und des damit verbundenen geringen Gewichts beziehungsweise Volumens lassen sich netzunabhängige Geräte klein und kompakt gestalten.

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Das schlimmste Ergebnis bei Testszenarien: das Ausgasen (Venting) einer LiB-Pouchzelle während eines thermischen Abusetests.
Das schlimmste Ergebnis bei Testszenarien: das Ausgasen (Venting) einer LiB-Pouchzelle während eines thermischen Abusetests.
( Bild: Fraunhofer ICT )

Die geringe Selbstentladungsrate und hohe Zyklenstabilität von LiB sorgen für eine hochgradige Versorgungssicherheit, wie sie für medizintechnische Geräte gefordert ist. Die Familie der LiB umfasst dabei ein breites Spektrum von unterschiedlichen Batteriematerialien, die für die elektrochemischen Reaktionen in der Batteriezelle verantwortlich sind. Vereinfacht kann gesagt werden: Je höher die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie ist, desto aggressiver ist die ihr zugrunde liegende Zellchemie. So gibt es relativ „sanfte“ Lithium-Eisenphosphatzellen und eher „aggressive“ Lithium-Kobaltoxidzellen. Letztere haben im Versagensfall an Bord von zivilen Flugzeugen für negative Schlagzeilen gesorgt.

Ein in der Praxis häufig gemachter Fehler liegt in der Tat bereits in der Auswahl und der Integration der LiB in das Medizingerät. Denn LiBs werden zumeist nur als eine beliebige Energiequelle für das Gerät angesehen. Die Auswahl der LiB orientiert sich mehr an technischen Eckdaten wie Spannung, Kapazität und Dimension. Die Assemblierung erfolgt oftmals in Form von Lohnfertigung, und die Assemblierer selbst haben keinen oder nur einen geringen Einfluss auf das spätere Layout. Dass dabei jede Art von LiB ihre eigene Zell-Charakteristik aufweist, wird oftmals vergessen oder ist gänzlich unbekannt.

Die Techniker und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT bieten an dieser Stelle ihr über 30-jähriges Wissen aus dem Bereich der Entwicklung von neuen Batteriematerialien, der Zellassemblierung, der entsprechenden elektrotechnischen Steuerung und Überwachung bei Betrieb und Ladung sowie beim Aufbau von Batteriesystemen an. Neben dem Schwerpunkt, neue Batteriesysteme mit höheren spezifischen Energien zu entwickeln, stellt die Untersuchung der Sicherheit bestehender Lithium-Ionen-Zellen einen wichtigen aktuellen Arbeitsbereich des Fraunhofer ICT dar. Vor der Transport- und Markteinführung durchlaufen LiBs eine Vielzahl von Sicherheitsuntersuchungen. Viele der Tests sind inzwischen standardisiert. Es gibt Untersuchungen zu verschiedenen klimatischen Bedingungen, mechanische Tests wie Fallschock, Quetsch- oder auch Nagelpenetration, bei dem zum Beispiel ein Metallnagel durch eine aufgeladene Zelle getrieben wird. Darüber hinaus wird das Verhalten bei Überladung, Tiefentladung und externem Kurzschluss untersucht. Um all diese Untersuchungen für Mensch und Umwelt sicher durchführen zu können, wurde am Fraunhofer ICT ein modernes Batteriesicherheitszentrum errichtet, das mit seinen vielfältigen flexiblen Aufbauten neben den Standarduntersuchungen vor allem für spezielle Fragestellungen genutzt werden kann. So existieren bei medizinischen Anwendungen oft besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Sicherheit. Das schlimmste Ergebnis aller Testszenarien ist ein selbstständiges Erwärmen der Batteriezelle aufgrund der in ihr ablaufenden chemischen Prozesse.

Bei der Batterieauswahl kann man eine Menge falsch machen

Dieser als thermisches Durchgehen (thermal run-away) bezeichnete Prozess ist kaum mehr umkehrbar und kann zu einer Explosion der Zelle unter Freisetzung von toxischen Gasen führen. Sind dabei auch benachbarte Zellen betroffen, kann dies zu einer entsprechenden Kettenreaktion (Propagation) führen.

Um die freigesetzten Gasmengen und deren Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Zellchemie untersuchen zu können, wird am Fraunhofer ICT eine apparativ aufwendige Analysentechnik eingesetzt. So ist z. B. die Art und Menge der freigesetzten, explosionsfähigen und zum Teil sehr toxischen Gase nicht nur beim Einsatz im medizinischen Gerät, sondern auch bei der Lagerung und dem Transport von Lithium-Ionen-Zellen ein wichtiger Parameter, der das Gefährdungspotenzial bestimmt. Diese Ergebnisse fließen in die Sicherheitskonzepte der jeweiligen Anwendungen ein und erlauben auch Verbesserungen von LiB hinsichtlich ihrer Sicherheit aufzuzeigen.

Etliche Ausfallszenarien von LiB können dabei durch passive Schutzeinrichtungen auf Zellebene oder durch aktive Maßnahmen wie ein elektronisches Batteriemanagementsystem (BMS) auf Modulebene abgefangen werden. Im Falle eines Kurzschlusses in einer solchen Lithium-Ionen-Einzelzelle hingegen ist es möglich, dass dieser Schadensfall – trotz einer Spannungs- und Temperaturüberwachung durch das BMS – unentdeckt bleibt und die Zelle spontan thermisch durchgeht.

Auch übergeordnete elektronische Systeme können zum Beispiel durch Unterdimensionierung der elektrischen Leitungen, Fehlplatzierungen oder externe Einflüsse einen (fatalen) Ausfall der LiB hervorrufen. Durch sogenannte Post-mortem-Analysen konnten Wissenschaftler des Fraunhofer ICT schon einige Ursachen für den Ausfall von LiB-Systemen (zum Teil mit Brandereignissen) aufklären helfen. Aus den Ergebnissen solcher Untersuchungen lässt sich ableiten, ob es sich um ein Einzelereignis, einen systematischen Fehler oder den Ausfall der eigentlichen Batteriezelle handelt. Somit stellen die Fachleute des Fraunhofer-Instituts eine neutrale Stelle dar, die bei Streitigkeiten zwischen Geräte- und Zellhersteller wichtige Informationen liefern kann.

Autoren: Prof. Dr. Karsten Pinkwart ist stellvertretender Leiter des Produktbereichs Angewandte Elektrochemie beim Fraunhofer ICT. Dr. Michael Abert verantwortet innerhalb des Produktbereichs Sensorik und Analysesysteme.

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