Bewertung der Sicherheit und thermischen Stabilität von Knopfzellenbatterien mit neuer Technologie

Wie das Knopfzellen-DSC die Prüfung der thermischen Stabilität ganzer Zellen ohne Demontage ermöglicht

Morgan Ulrich | Hang Lau
16. Juni 2026

Assess Coin Cell Battery Safety and Thermal Stability with New Technology

Die heutigen Innovationen im Bereich der Batterietechnologie setzen neue Maßstäbe durch eine höhere Energiedichte, eine höhere Leistung und eine längere Laufzeit. Diese Fortschritte können jedoch mit erheblichen Sicherheitsrisiken einhergehen. Die frühzeitige Bewertung der Sicherheit und Stabilität von Batterien im Entwicklungszyklus ist von entscheidender Bedeutung, um den Erfolg neuer Konstruktionen sicherzustellen, bevor die Produktion kompletter Batterien in großen Stückzahlen aufgenommen wird.

Messung der thermischen Stabilität von Batterien

Unter thermischer Stabilität versteht man die Fähigkeit eines Materials, einer Zersetzung standzuhalten, wenn es Hitze ausgesetzt ist. Zum Glück für die Batterieentwickler gibt es eine bewährte materialwissenschaftliche Methode zur Messung des Wärmeflusses: Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC). DSC-Geräte der Waters Materials Sciences Division finden seit den 1970er Jahren breite Anwendung in der Polymer-, Pharma- und sonstigen materialwissenschaftlichen Forschung.

DSC wird von Batterieforschern und -entwicklern eingesetzt, um die thermische Stabilität und Zersetzung von Batteriematerialien zu untersuchen, doch ein herkömmliches DSC ist nicht für Batterietests ausgelegt. Der derzeitige Arbeitsablauf sieht vor, dass eine Batteriezelle zerlegt wird, um einzelne Materialien auf einem DSC zu testen; allerdings lässt sich durch die getrennte Untersuchung der Materialien möglicherweise nicht das volle Ausmaß ihrer thermischen Stabilität oder ihrer Wechselwirkungen erkennen. Sicherheitstests an kompletten Zellen werden auf einen späteren Entwicklungszeitpunkt verschoben, was häufig zu kostspieligen und zeitaufwändigen Korrekturen führt.

Eine bahnbrechende Lösung für die Prüfung der Batteriesicherheit

Mit dem dynamischen Differenzkalorimeter für Knopfzellen von Waters TA Instruments™ können Batterieforscher und -entwickler die Sicherheit und Leistung kompletter Knopfzellen direkt und ohne Demontage beurteilen. Nun können Ganzzellversuche bereits in einer früheren Entwicklungsphase durchgeführt werden. Diese Tests können als Orientierung für die Batterieentwicklung dienen, indem sie Reaktionen identifizieren, die zu Selbsterwärmung oder thermischem Durchgehen führen können. Anschließend können Entwickler diese Daten mit den Sicherheitstests in der späten Entwicklungsphase abgleichen, um sich ein umfassendes Bild von der Batteriestabilität zu verschaffen.

Waters TA Instruments™ Coin Cell Differential Scanning Calorimeter

Da sich Batterien durch Temperaturschwankungen oder Überladung/Überentladung verschlechtern können, wurde des Knopfzellen-DSC entwickelt, um Reaktionsauslöser und die daraus resultierenden thermischen Ereignisse zu erfassen. Die speziell für diesen Zweck entwickelte Knopfzellenkapsel erfasst das gesamte Wärmeflusssignal über den gesamten Temperaturbereich hinweg und zeigt so auf, wie Temperaturänderungen zu Reaktionen innerhalb der Batterie führen können. Eine integrierte Kabelverbindung ermöglicht die Spannungsüberwachung bei thermischen Ausfällen der Zellen, sodass Sie thermische Prozesse mit elektrochemischen Daten in Zusammenhang bringen können.

Die folgenden Experimente zeigen wichtige Messwerte zur Batteriesicherheit, die mit dem Knopfzellen-DSC ermittelt wurden.

Temperatur, bei der das thermische Durchgehen einsetzt

Ein thermisches Durchgehen tritt auf, wenn eine kritisch hohe Temperatur exotherme Reaktionen auslöst, die zu einem weiteren Temperaturanstieg führen. Die Ermittlung der Auslösetemperatur und der daraus resultierenden Reaktionen ist entscheidend für die Vorhersage von Ausfällen und die Entwicklung sichererer Batterien.

Im folgenden Beispiel wurde eine NMC-Knopfzelle auf 600 °C aufgeheizt, wodurch vier Reaktionsschritte sichtbar wurden:

Auslösetemperatur für irreversible Zellzersetzung
Schmelzen des Separators und der Dichtung der Knopfzelle, um die Entlüftung für die Analyse der entstehenden Gase zu ermöglichen
Thermische Zersetzung und Kreuzreaktion von Elektrolyt und aktiven Materialien
Thermischer Abbau der Dichtung und Hochtemperaturreaktion mit aktiven Materialien

Figure 1: Temperature ramp to 600 °C of an NMC coin cell battery

Diese Temperaturkurve einer kompletten Knopfzellenbatterie konnte dank des hochempfindlichen Sensors des Knopfzellen-DSC erfasst werden. Diese Technologie ermöglicht eine genauere Analyse der Auslösetemperatur und unterstützt die Charakterisierung komplexer Reaktionsmechanismen.

Analyse von Batteriekurzschlüssen

Für die Technik und Konstruktion ist es von entscheidender Bedeutung, genau zu ermitteln, wann eine Batterie kurzschließt und ihre Funktionsfähigkeit verliert. Die Spannungsüberwachung misst den Ladezustand der Batterie und erkennt elektrochemische Signale, wenn ein interner Kurzschluss oder ein Spannungsabfall auftritt, wobei sie die Reaktionen, die zu diesen Veränderungen führen, in Zusammenhang bringt.

Die folgende Abbildung zeigt, wann ein Kurzschluss auftritt. Dieser starke Spannungsabfall deutet auf einen Kurzschluss hin, woraufhin die Zelle vollständig ausfällt und die Spannung auf 0 V abfällt. Die genaue Lokalisierung eines Batteriekurzschlusses hilft Batterieentwicklern dabei, festzustellen, ob ihr Design unter typischen Einsatzbedingungen sicher ist oder überarbeitet werden muss, um höheren Temperaturen standzuhalten. Die eingefügte Kurve zeigte den Beginn eines Reaktionswärmestroms bei etwa 119 °C, der bei 130 °C zu einem Spannungsabfall führte und damit erste Anzeichen einer Degradation erkennen ließ.

Figure 2: Voltage monitoring paired with heat flow measurement to pinpoint a short circuit.

Vielseitigkeit bei der Prüfung der Batteriesicherheit

Neben der Erkennung von Kurzschlüssen und der Ermittlung der Temperaturen, bei denen ein thermischer Durchbruch einsetzt, wie oben dargestellt, müssen Batterieentwickler auch die ablaufenden Reaktionen und die Zusammensetzung der entstehenden Gase verstehen, falls eine Batterie die Sicherheitsgrenzwerte überschreitet. Die Abgasanalyse ermittelt die bei einer Reaktion freigesetzten Gase, wie beispielsweise Kohlendioxid, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffe und andere Zersetzungsprodukte. Die Identifizierung dieser Gase ist entscheidend, um festzustellen, ob eine Batterie bei einem Ausfall ein erhöhtes Sicherheits- und Brandrisiko darstellt.

Und schließlich sind all diese Daten nur so aussagekräftig, wie gut Sie sie analysieren können. Die TRIOS-Software des Knopfzellen-DSC bietet ein außergewöhnliches Benutzererlebnis bei der Gerätesteuerung, der Datenanalyse und der Berichterstellung. Integrierte Vorlagen erleichtern die Durchführung gängiger Sicherheitsprüfungen für Knopfzellen. TRIOS kombiniert zudem effizient Daten aus verschiedenen Prüfverfahren, darunter Spannungsüberwachung, Abgasanalyse und Wärmeflussmessungen.

Erfahren Sie mehr über den Knopfzellen-DSC und wenden Sie sich an die Batterieexperten von Waters Materials Sciences, um weitere Informationen zu erhalten.