Thermal Runaway und Thermal Propagation: was im Akku wirklich passiert

Thermal Runaway oder Thermal Propagation: der Unterschied in einem Satz

Thermal Runaway betrifft eine einzelne Zelle. Thermal Propagation betrifft das, was danach mit den Nachbarzellen passiert. Das klingt nach einer feinen Unterscheidung. In der Praxis trägt sie aber den ganzen Unterschied zwischen einem lokal begrenzten Defekt und einem Vorfall, der den gesamten Akkupack erfasst. Eine Zelle in Thermal Runaway kann im besten Fall genau das bleiben: ein Einzelfall. Gehäuse, Abstand und Schutzschaltung grenzen sie dann ein. Erst wenn die freigesetzte Wärme, das Gas oder herausgeschleudertes Material die Nachbarzelle ebenfalls zum Kippen bringt, beginnt die Propagation. Aus einem einzelnen Ereignis wird dann eine Kette.

Für die Akkusicherheit bei E-Scootern und anderen kleinen Elektrofahrzeugen ist diese Trennung der Ausgangspunkt. Kein Pack-Design kann Runaway vollständig verhindern. Ein gutes Design kann die Propagation aber stark verzögern oder ganz unterbinden, und damit wird aus einem potenziell schweren Vorfall ein beherrschbares Ereignis. Die folgenden Abschnitte trennen deshalb konsequent: den Vorgang in der einen Zelle und die Ausbreitung im Pack.

Was in einer einzelnen Zelle beim Thermal Runaway passiert

Eine Lithium-Ionen-Zelle erzeugt im Normalbetrieb Wärme, und solange diese über Gehäuse, Umgebung oder ein Kühlsystem schneller abgeführt wird, als sie entsteht, bleibt die Zelle im Gleichgewicht. Thermal Runaway beginnt genau dort, wo dieses Gleichgewicht kippt. Eine Störung setzt eine chemische Reaktion in Gang, die selbst Wärme freisetzt, und diese zusätzliche Wärme beschleunigt wiederum die nächste Reaktion in der Zelle. Das Ergebnis ist eine Kette aus exothermen Prozessen, die sich gegenseitig anschieben. Von außen muss dafür nichts mehr verändert werden.

Innerhalb der Zelle laufen dabei mehrere Vorgänge ab, teils nacheinander, teils überlappend. Die schützende Schicht auf der Anode zersetzt sich, der Separator zwischen Anode und Kathode verliert seine trennende Funktion, und das Elektrolyt beginnt sich chemisch aufzulösen. Jeder dieser Schritte setzt für sich genommen Wärme frei und bringt die Zelle näher an den Punkt, an dem sie sich selbst trägt. Ab welcher genauen Temperatur welcher Einzelschritt beginnt, hängt von Zellchemie, Bauweise und Hersteller ab. Eine pauschale Zahl, die für jede Lithium-Ionen-Zelle gleich gilt, gibt es nicht. Dieser Beitrag nennt deshalb bewusst keine.

Die vier typischen Auslöser: mechanisch, elektrisch, thermisch, intern

Mechanische Beschädigung ist der anschaulichste Auslöser. Ein Durchstich, eine Quetschung oder ein harter Sturz kann den Separator innerhalb der Zelle beschädigen, und dadurch entsteht ein direkter Kontakt zwischen Anode und Kathode, der normalerweise verhindert wird. Wie sich ein solcher Stoß oder Sturz auf einen E-Scooter- oder E-Bike-Akku auswirkt, ordnet der Beitrag Akku nach Stoß ein. Ein äußerlich unauffälliges Gehäuse schließt einen inneren Schaden dabei nicht aus.

Elektrischer Missbrauch umfasst Überladung, zu hohe Entladeströme und einen äußeren Kurzschluss. Dabei wird die Zelle über ihre vorgesehenen Grenzen hinaus belastet. Thermischer Missbrauch kommt dagegen von außen. Eine benachbarte Wärmequelle, ein Brand in der Nähe oder eine zu hohe Umgebungstemperatur kann eine Zelle auch ohne elektrischen Fehler zum Kippen bringen. Der vierte Auslöser, der interne Fehler, ist der unauffälligste von allen, denn ein Herstellungsfehler, ein winziges Fremdpartikel im Zellinneren oder eine über viele Ladezyklen gewachsene Dendritenbildung kann irgendwann einen internen Kurzschluss verursachen. Die Zelle wurde dabei von außen nie falsch behandelt.

Venting: warum die Zelle zuerst Gas freisetzt, nicht Flammen

Bevor eine Zelle im Thermal Runaway tatsächlich brennt, baut sich in ihrem Inneren meist zuerst Druck auf, weil die chemischen Reaktionen, die die Kette tragen, dabei auch Gase freisetzen. Diese Gase haben in der versiegelten Zelle keinen Platz. Genau dafür ist eine Sollbruchstelle oder ein Sicherheitsventil vorgesehen. Steigt der Innendruck über einen bestimmten Punkt, öffnet sich diese Stelle gezielt. Die Zelle „ventet“ dann: Sie stößt die entstandenen Gase kontrolliert aus, statt unkontrolliert aufzureißen oder zu explodieren.

Dieses Venting ist technisch ein Sicherheitsmechanismus. Praktisch ist es aber auch der Moment, in dem aus einem inneren Problem ein äußeres wird. Die ausgestoßenen Gase sind heiß, oft brennbar und teils toxisch, und sie tragen Energie und manchmal auch Hitze direkt zu den umgebenden Zellen. Wie sich ein solcher Druck- und Temperaturanstieg früh genug erkennen lässt, ist eine eigene Frage für sich. Sie wird weiter unten im Abschnitt zur Abgrenzung beantwortet, nicht hier.

Von der Zelle zum Pack: wo Propagation beginnt

Eine einzelne Zelle in Thermal Runaway ist ein ernstes, aber grundsätzlich eingrenzbares Ereignis. Was danach passiert, entscheidet sich an der Stelle, an der diese Zelle auf ihre Nachbarn trifft. Erreicht genug Wärme, Gas oder Material die Nachbarzelle, löst das deren eigene Reaktionskette aus. Dann beginnt die Thermal Propagation. Aus einem Einzelfall wird eine Kettenreaktion, die sich Zelle für Zelle durch das Pack fressen kann, bis sie an einer Barriere stoppt oder das gesamte Pack erfasst.

Dieser Übergang ist kein Automatismus, auch wenn er von außen oft so wirkt. Ob eine Zelle ihre Nachbarin tatsächlich mitreißt, hängt von mehreren Faktoren gleichzeitig ab. Dazu zählen die freigesetzte Energie, der Abstand zur nächsten Zelle, das Material dazwischen und die Richtung der Gase, und zwei baugleiche Zellen im selben Pack können deshalb zu einem völlig unterschiedlichen Ergebnis führen. Entscheidend ist dabei, welche Konstruktionsentscheidung zwischen ihnen getroffen wurde.

Drei Wege, wie sich Wärme von Zelle zu Zelle ausbreitet

Der erste Ausbreitungsweg ist die Wärmeleitung über direkte Kontaktflächen. Zellen, Verbinder oder das Gehäuse selbst transportieren Wärme von der betroffenen Zelle zur nächsten, einfach weil Material an Material liegt. Je enger die Zellen gepackt sind und je besser das Material Wärme leitet, desto schneller geht dieser Weg. Der zweite Weg läuft über die heißen Gase aus dem Venting, die durch das Pack strömen und dabei Wärme an alles abgeben, was sie passieren. An anderer Stelle können sie sogar selbst Flammen entfachen, wenn sie auf eine Zündquelle treffen.

Der dritte Weg ist der unauffälligste von allen: herausgeschleuderte Partikel oder sogar brennendes Material, das beim Versagen einer Zelle regelrecht ausgeworfen wird. Wie der Innenaufbau eines Hochvoltpacks diese drei Wege beeinflusst, ordnet der Beitrag Cell to Body: wenn der HV-Akku Teil der Karosseriesteifigkeit wird ein. Dabei spielt etwa die Anordnung der Zellen zueinander eine Rolle, oder die Frage, ob der Akku Teil der Fahrzeugstruktur ist. Alle drei Wege wirken in der Praxis gleichzeitig, nicht nacheinander. Ein Pack-Design, das nur einen davon adressiert, bleibt an den anderen beiden angreifbar.

Warum Zellabstand und thermische Barrieren über die Kettenreaktion entscheiden

Der einfachste Hebel gegen Wärmeleitung ist Abstand. Je weiter zwei Zellen voneinander entfernt sind, desto länger dauert es, bis Wärme von der einen zur anderen wandert, und desto mehr Zeit bleibt, eine Reaktion zu stoppen, bevor sie sich fortsetzt. Reiner Abstand kostet aber Bauraum und Energiedichte. Deshalb setzt die Pack-Entwicklung zusätzlich auf thermische Barrieren. Das sind Materialien, die gezielt zwischen Zellen oder Zellgruppen eingebracht werden, um Wärme zu absorbieren, zu verzögern oder gezielt abzuleiten.

Solche Barrieren übernehmen damit eine Funktion, die reiner Abstand allein nicht leisten kann. Sie geben der Konstruktion eine Richtung vor, in die eine Störung ablaufen soll, statt sich ohne diese Richtung unkontrolliert in alle Richtungen auszubreiten. Wie Druckausgleich und thermische Barrieren dafür sorgen, dass ein Pack eine einzelne versagende Zelle eingrenzt, beschreibt der Beitrag Hochvoltbatterie: wofür Druckausgleich und thermische Barrieren da sind ausführlich. Zellabstand und Barrieren sind damit keine konkurrierenden, sondern sich ergänzende Lösungen für dasselbe Problem.

Gasableitung: wohin die heißen Gase im Pack müssen

Abstand und Barrieren allein lösen das Gasproblem nicht. Das Venting einer Zelle erzeugt Gase, die irgendwohin müssen. Ein Pack ohne vorgesehenen Abströmweg zwingt diese heißen, oft brennbaren Gase, sich ihren Weg entlang des geringsten Widerstands zu suchen, und dieser Weg kann genau an der nächsten Zelle entlangführen. Deshalb gehören zu einem durchdachten Pack-Design eigene Kanäle oder Öffnungen. Sie führen Gas gezielt nach außen und von den übrigen Zellen weg, statt es im Pack zirkulieren zu lassen.

Wie wichtig diese Führung ist, zeigt sich dort, wo ein Fahrerbereich direkt an das Pack angrenzt. Eine Gasableitung, die konsequent nach unten oder nach außen führt, verschafft mehr Reaktionszeit als eine Konstruktion ohne solche Führung, und dieselbe Logik gilt im Kleinen für E-Scooter- und E-Bike-Akkus. Ihr Pack ist naturgemäß kleiner und einfacher aufgebaut als ein Fahrzeugakku. Das Grundprinzip bleibt trotzdem gleich: Gas kontrolliert ableiten, statt es einzusperren.

Schnelle Abschaltung als Bremse gegen die Ausbreitung

Neben Abstand, Barrieren und Gasführung gibt es einen vierten Hebel, der oft unterschätzt wird: die elektrische Seite des Packs selbst. Ein interner Fehler wird oft dadurch verschärft, dass weiterhin Strom durch die betroffene Zelle fließt. Das gilt, solange der Stromkreis nicht unterbrochen wird. Eine schnelle, zuverlässige Abschaltung kann genau das verhindern und stoppt, dass ein elektrischer Fehler zusätzliche Energie in eine bereits geschwächte Zelle pumpt. Damit entfällt eines von mehreren Elementen, die eine Propagation sonst beschleunigen würden.

Wie diese Abschaltung technisch aussieht, beschreibt der Beitrag Hochvolt-Abschaltung nach dem Crash: Schütze, Pyrofuse und Restenergie. Dort geht es um Schütze, pyrotechnische Trennelemente und andere Komponenten, die im Ernstfall die Hochvoltseite vom Rest des Fahrzeugs trennen, und besonders nach einem Unfall ist das Zusammenspiel aus mechanischer Beschädigung und möglicher elektrischer Nachspeisung relevant.

Wie ein solcher Vorfall danach einzuordnen ist, zeigt der Beitrag E-Auto-Akku nach Unfall: Crash, Hitze und Wasser richtig einordnen. Eine Abschaltung ersetzt keine der bisher genannten Maßnahmen. Sie ergänzt sie um die elektrische Dimension des Problems.

Was ein nachgerüsteter oder getunter Akkupack zusätzlich riskiert

Alles, was bisher beschrieben wurde, gilt für einen Akkupack, wie er vom Hersteller entwickelt und freigegeben wurde, mit Zellabstand, Barrieren und Gasführung, die genau auf die verbaute Zellchemie abgestimmt sind. Ein nachgerüsteter Akku, ein getauschtes Zellmodul oder ein Tuning greift genau in dieses abgestimmte System ein. Höhere Ströme erzeugen mehr Wärme, als das ursprüngliche Design vorgesehen hat, und ein Zellmodul, das nicht exakt zur vorhandenen Geometrie passt, kann einen Schutzmechanismus wirkungslos machen, ohne dass das von außen sichtbar wäre.

Welche zusätzlichen Pflichten auf ein getuntes E-Scooter-Akkusystem künftig zukommen, ordnet der Beitrag E-Scooter Batteriepass 2027: Folgen für Tuning und Akku ein.

Was ein Controller-, Akku- oder Spannungs-Upgrade an einer E-Moto rechtlich und sicherheitstechnisch auslöst, beschreibt der Beitrag Controller-, Akku- und 72V-Upgrade an der E-Moto: was rechtlich und sicherheitstechnisch passiert.

Umbauten am eigenen Fahrzeug. Ob ein Umbau auf öffentlichen Straßen betrieben werden darf, entscheidet der Genehmigungszustand des Fahrzeugs — die Genehmigung des Teils, der Einbau nach ihren Auflagen und, wo nötig, die Abnahme durch eine dafür zuständige Stelle. Solange diese Kette nicht vollständig ist, gehört der Umbau auf Privatgelände, Testflächen und in nicht öffentliche Bereiche.

Warum ein Kurzschluss nicht automatisch zum Brand führt

Nicht jeder interne oder äußere Kurzschluss endet in einem Thermal Runaway, und das ist der eigentliche Grund, warum eine durchdachte Schutzkette überhaupt existiert. Sicherungen, Precharge-Widerstände und das Batteriemanagement erkennen einen Fehlerstrom und unterbrechen den betroffenen Strompfad. Das passiert, lange bevor genug Energie fließt, um eine Zelle thermisch zu destabilisieren. Wie diese Schutzkette im Hochstrompfad genau aufgebaut ist, zeigt der Beitrag Precharge, Sicherung, Schütz und Stecker: Die Schutzkette im Hochstrompfad.

Dass diese Kette nicht garantiert hält, ändert nichts daran, dass sie in den meisten Fällen genau das tut, wofür sie entworfen wurde. Sie stoppt den Fehler, bevor er zu einem thermischen Ereignis wird. Für den Alltag heißt das vor allem eines. Ein Ladeort mit freiem Fluchtweg und ohne brennbare Gegenstände in der Nähe ist kein übertriebenes Vorsichtsmaß, sondern die sinnvolle Ergänzung zu einer Schutzkette, die fast immer, aber nicht in jedem einzelnen Fall greift. Wie ein Lade- oder Abstellplatz brandschutztechnisch sinnvoll eingerichtet wird, beschreibt der Beitrag Fluchtweg und Brandschutz.

Was dieser Beitrag bewusst nicht beantwortet

Dieser Beitrag erklärt den physikalischen Ablauf im Pack und die Abgrenzung zwischen Thermal Runaway und Thermal Propagation, und zwei naheliegende Anschlussfragen bleiben dabei bewusst ausgeklammert. Beide sind bereits an anderer Stelle eigenständig und ausführlich beantwortet. Welche Fassung der UN-Regelung Nr. 100 für Thermal-Propagation-Anforderungen an einem Fahrzeug im Jahr 2026 gilt, ordnet der Beitrag UN R100 und Thermal Propagation: welcher Normstand 2026 wirklich gilt ein. Der Normstand selbst ist hier nicht Thema.

Ebenso wenig geht dieser Beitrag in die Tiefe, wie sich ein beginnender Thermal Runaway über Sensoren früh erkennen lässt. Diese Frage beantwortet der Beitrag Thermal Runaway erkennen: Gas, Druck oder Temperatur? im Detail. Wer verstehen will, was im Pack physikalisch passiert, findet die Antwort hier, und wer wissen will, welcher Normstand gilt oder wie ein Frühwarnsystem genau funktioniert, findet sie in den beiden verlinkten Beiträgen.

Häufige Fragen

Einordnung: wo die Angaben herkommen

Für diesen Beitrag lag kein projektinternes Rohmaterial vor; er ist aus Fachwissen und der Zielgruppenfrage heraus neu geschrieben. Die folgenden Blöcke benennen, worauf die Einordnung sich stützt, und was bewusst ohne Zahlenangabe bleibt.