Lithium-Ionen-Akkus

Vom Smartphone bis zum Elektroauto wird die mobile Welt derzeit von Lithium-Ionen-Akkus mit Energie versorgt. Ihre Verbreitung nimmt rasant zu.

Die Lithiumtechnologie ermöglicht relativ kompakte Bauweisen bei gleichzeitig relativ hoher Leistung – Li-Ionen-Akkus haben also eine hohe Energiedichte. Diese wünschenswerte Eigenschaft geht leider mit einem Brandrisiko einher, das bei Akkus anderer Bauweisen nicht in vergleichbarer Intensität vorliegt.

Brände durch Li-Ionen-Akkus treten seit einigen Jahren immer häufiger auf. In der Datenbank des IFS sind sie mittlerweile als typisches Schadenbild deutlich erkennbar, und der Trend zeigt einen sich fortsetzenden Anstieg der Fallzahlen. Wir haben es mit einem neuen Alltagsrisiko zu tun, das bei Verbrauchern Fragen aufwirft und für Verunsicherung sorgt. Aus diesem Grund stellt das IFS hier seine Untersuchungsergebnisse zu diesem Thema vor und bietet eine Einordnung sowie Hinweise zur Schadenverhütung an.

 

Lithium-Ionen-Akkus sind alltagstauglich, aber …

Akku eines Hoverboards geht thermisch durch.

Die steigende Zahl der Brände ist vor allem auf die steigende Zahl der Akkus zurückzuführen. Bei sachgerechter Handhabung geht von Li-Ionen-Akkus kein außergewöhnliches Brandrisiko aus; die Technik ist in dieser Hinsicht alltagstauglich.

Bei technischen Mängeln oder unsachgemäßer Handhabung können jedoch Defekte auftreten, in deren Folge der Lithium-Ionen-Akku seine gespeicherte Energie schlagartig unkontrolliert abgibt – man spricht vom „thermischen Durchgehen“, auf Englisch „thermal runaway“. Der Akku geht dabei in einer heftigen Reaktion in Flammen auf. Umliegendes brennbares Material kann sich entzünden – ein Brand entsteht.

Beim Umgang mit diesen Energiespeichern sollte man darum besondere Sicherheitsmaßnahmen beachten.

 

Sicherheitshinweise für Lithium-Ionen-Akkus

  • Verwenden Sie ausschließlich Ladegeräte, die vom Hersteller für den Akku oder, bei fest verbauten Akkus, für das jeweilige Gerät vorgesehen sind. Halten Sie sich an die Herstellerangaben, falls ein bestimmtes Ladegerät vorgeschrieben ist.
  • Zerlegen, öffnen oder zerkleinern Sie Akkumulatoren oder Batterien niemals.
  • Setzen Sie Zellen/Batterien weder Feuer noch Temperaturen über 60 °C aus. Dieser Wert wird von namhaften Herstellern als Obergrenze zum Schutz vor Kapazitätsverlusten und erhöhten Brandrisiken angegeben. Vermeiden Sie die Lagerung in direktem Sonnenlicht.
  • Vermeiden Sie es, den Akku Frost auszusetzen. Je länger niedrige Temperaturen auf die Zellen einwirken, desto größer ist die Gefahr von Kapazitätsverlusten und gefährlichen Zellschäden. Lagern Sie also Akkus zum Beispiel im Winter nicht in einer ungeheizten Garage.
  • Zellen/Batterien dürfen nicht kurzgeschlossen werden (Vorsicht auch bei Lagerung, bei der ein gegenseitiger
    Kurzschluss möglich ist. In diesen Fällen sollten die Pole abgeklebt werden).
  • Schützen Sie Zellen/Batterien vor mechanischen Stößen und Beschädigungen.
  • Die Flüssigkeit undichter Zellen darf nicht mit der Haut in Berührung kommen und keinesfalls in
    die Augen gelangen.
  • Entsorgen Sie Zellen/Batterien ordnungsgemäß, zum Beispiel über den Fachhandel.
  • Basteln Sie keine eigenen Akkupacks. Das Verschalten von Lithium-Ionen-Akkuzellen und Aufbauen von Batteriemanagementsystemen (BMS) gehört in die Hände von Fachleuten.

 

 

Die Technologie

Batterien sind elektrochemische Energiespeicher. Man unterscheidet zwischen Primär- und Sekundärzellen:

Primärzellen sind elektrochemische Energiespeicher, bei denen chemische in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Zellen dieser Art sind nicht wiederaufladbar.

Sekundärzellen, auch Akkumulatoren (kurz: Akkus) genannt, sind dagegen wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicher, also für eine Mehrfachnutzung vorgesehen. Ein vollständiger Lade- und Entladevorgang wird Zyklus genannt. Mit der Anzahl der Zyklen wird in der Regel die Lebensdauer einer Zelle angegeben. Je nach Art, Anwendung und Handhabung erreichen moderne Akkus eine Lebensdauer von bis zu mehreren 1000 Zyklen.

Lithium-Ionen-Akkus sind Sekundärzellen, die auf dem chemischen Element Lithium (Li) basieren.

 

Der Aufbau einer typischen Lithium-Ionen-Akkuzelle

Jede Akku-Zelle (siehe Abbildung) besteht aus zwei unterschiedlichen Elektroden: einer negativen Elektrode (Anode) und einer positiven Elektrode (Kathode). Zwischen den Elektroden befinden sich ein ionenleitender Elektrolyt und der Separator, der die Elektroden elektrochemisch trennt. Die Anode besteht aus einer Kupferfolie und einer Schicht aus beispielsweise Graphit. In ihr werden während des Ladens die positiv geladenen Lithium-Ionen eingelagert. Die Kathode besteht aus Metalloxiden, die auf einer Aluminiumfolie aufgebracht sind.

 

Die Vorteile eines Lithium-Ionen-Akkus

  • hohe Energiedichte, dadurch kleine und leichte Bauweise;
  • geringe Selbstentladung;
  • lange Lagerfähigkeit;
  • kein Lazy-Battery-Effekt, kein oder nur geringer Memory-Effekt.

 

All dies beruht auf den Eigenschaften des chemischen Elements Lithium. Es ist besonders leicht, beweglich und hat bestens geeignete elektrochemische Eigenschaften.

 

Was beim Laden und Entladen in der Zelle geschieht

Beim Entladen wandern Lithium-Ionen von der Anode durch den Elektrolyt und den Separator zur Kathode, wo sie eingelagert werden. Durch den ablaufenden Oxidationsprozess werden gleichzeitig Elektronen freigesetzt. Diese fließen von der negativ geladenen Anode über eine äußere elektrische Verbindung zur positiv geladenen Kathode. An der Kathode kommt es zu einer chemischen Reduktion, es werden also Elektronen aufgenommen. Durch den äußeren Stromfluss können elektrische Verbraucher betrieben werden.

Beim Laden vollzieht sich der umgekehrte Prozess. Dieser Zyklus wiederholt sich mit jedem Lade- und Entladevorgang.

 

 

Das Batteriemanagement-System (BMS) – Schadenverhütung an Bord

Die typische Ladeschlussspannung einer Lithium-Ionen-Zelle liegt bei 4,2 V. Eine typische Entladeschlussspannung beträgt 2,5 V. Bei einer Überladung oder einer Tiefenentladung kann es zu irreversiblen Schädigungen und zu Kapazitätsverlusten kommen. Das Batteriemanagementsystem (BMS) soll Überladungen und Tiefentladungen verhindern. Es ist eine Sicherheitseinrichtung, mit der die Leistungsfähigkeit des Akkus geschützt und das Auftreten von Defekten verhindert werden soll.

Bei den meisten handelsüblichen Produkten verhindert das BMS Anwenderfehler, indem es Lade- und Entladespannung regelt. Es ist entweder

  • in das Gerät integriert – zum Beispiel bei Notebooks und Mobiltelefonen;
  • in das Ladegerät integriert – bei Wechselakkus, zum Beispiel für Werkzeuge. Darum ist es wichtig, ausschließlich ein Ladegerät zu verwenden, das vom Hersteller für ein Produkt vorgesehen ist;
  • zum Teil in den Akkupack integriert.

Ein Sonderfall ist der Modellbau. Hier kommen Multifunktionsladegeräte zum Einsatz, bei denen Lade- und Entladeparameter frei eingestellt werden können. Der Modellbau ist überdurchschnittlich oft von Akkubränden betroffen.

 

 

Die üblichen Bauformen von Lithium-Ionen-Akkuzellen

Die zylindrische Zelle ist die am weitesten verbreitete Bauform von Akkuzellen. Ein Standard ist die 18650-Zelle, die 18 mm im Durchmesser und 65 mm in der Höhe misst. Sie ist mechanisch relativ stabil, denn sie verfügt über eine Metallhülle.

Sie wird in zahlreichen kleinen und großen Produkten eingesetzt, vom Notebook und der Powerbank bis zum Elektrofahrrad.

 

 

 

 

Der Aufbau einer prismatischen Zelle ist dem der zylindrischen Zelle ähnlich. Die Komponenten werden in der Abfolge Anode – Separator – Kathode – Separator zu einem Flachwickel aufgewickelt, um sie in ein prismatisches, festes Gehäuse zu verpacken.

Diese Bauform kam vor allem als Wechsel-Akku in den Mobiltelefonen der ersten Generation zum Einsatz.

 

 

 

Die Pouch-Zelle (Coffeebag-Zelle) ist eine andere Ausführung der prismatischen Zelle. Anstelle des festen Gehäuses wird ein flexibles verwendet, das in der Regel aus beidseitig kunststoffbeschichteter Aluminiumfolie besteht. Bei der Fertigung wird gewöhnlich die Abfolge Anode – Separator – Kathode – Separator aufgestapelt.

Diese Bauform ist leicht, aber mechanisch wenig stabil. Sie wird zum Beispiel in Smartphones und im Modellbau eingesetzt.

 

 

Akkupacks

Wird mehr elektrische Energie benötigt als eine einzelne Akkuzelle zur Verfügung stellen kann, so werden mehrere Zellen zu sogenannten Modulen oder „Akku-Packs“ zusammengefasst. Sie werden beispielsweise eingesetzt in

  • Notebooks (typischerweise 4 – 6 Zellen),
  • Werkzeugen (6 – 8 Zellen oder deutlich mehr – je nach Produkt),
  • Elektrofahrrädern (mehr als 20 Zellen),
  • Elektroautos (mehrere tausend)

 

Lithium-Ionen-Akkus sind empfindlich gegenüber verschiedenen Belastungen, die im Extremfall zum Brand führen können:

  • mechanische Beschädigungen können interne Kurzschlüsse verursachen; der Akku geht dann thermisch durch.
  • externe Kurzschlüsse beanspruchen die Zellchemie. Sie führen im Akku zu einer Kapazitätsabnahme und zu einer hohen Wärmeproduktion bis hin zum Brandausbruch. Zu externen Kurzschüssen kann es durch Produktfehler kommen, aber auch bei der Lagerung und Entsorgung. Die freiliegenden Kontakte dürfen sich bei der Lagerung nicht berühren und sollten bei der Entsorgung abgeklebt werden.
  • Hitze: Die Temperatur, sowohl während des Betriebes als auch bei der Lagerung, hat großen Einfluss auf die Lebensdauer und Kapazität. Namhafte Hersteller geben zum Schutz des Akkus eine Temperaturobergrenze von 60°C an. Höhere Temperaturen können die Lebensdauer des Akkus verkürzen und zu Defekten führen. Außerdem steigt die Brandgefahr.
  • Kälte: Auch Temperaturen im Frostbereich können die Kapazität und Sicherheit des Akkus beeinträchtigen. Namhafte Hersteller nennen eine Mindesttemperatur von -10 °C. Wird eine Zelle über längeren Zeitraum zu niedrigen Temperaturen ausgesetzt, wird der flüssige Elektrolyt zäh, die Leitfähigkeit nimmt ab. Die Lithium-Ionen wandern langsamer von der Kathode zur Anode und vice versa. Dabei kann der Akku dauerhaft Schaden nehmen. Brandgefahr besteht erst bei den nächsten Ladevorgängen.
  • dauerhafter Lagerung: Lithium-Ionen-Akkus haben eine sehr geringe Selbstentladung. Bei dauerhafter Lagerung sollte jedoch der Ladezustand gelegentlich überprüft und der Akku gegebenenfalls nachgeladen werden, um eine Tiefentladung zu vermeiden. Beachten Sie die Herstellerangaben.

 

Die Brandgefahr

Was passiert bei einem Brand?

Ein Akku gibt seine elektrochemisch gespeicherte Energie beim Entladevorgang normalerweise in Form von elektrischer Energie wieder ab. Im Falle des Versagens wird aber die gesamte Energie nicht als elektrische, sondern schlagartig in Form von thermischer Energie abgegeben.

Hinzu kommt, dass einige der eingesetzten Materialien bei hohen Temperaturen spontan zerfallen. Es entstehen sowohl brennbare Gase als auch Sauerstoff, der Druck in der Akkuzelle steigt. Diese Reaktion kann sehr schnell und unkontrollierbar ablaufen, es kommt zum sogenannten „thermischen Durchgehen“ der Zelle. Dabei treten Temperaturen von mehreren Hundert Grad Celsius auf.

Es kommt in der Regel zu einer heftigen Flammenbildung; Zellen können sogar explodieren oder wie eine Silvesterrakete durch die Luft geschleudert werden.

Nach wenigen Sekunden ist die Zelle durchreagiert. Aber durch die Flammen und die große Hitzeentwicklung wird umliegendes, brennbares Material sehr leicht entzündet. Das Feuer kann sich rasch auszubreiten.

Geht eine Zelle in einem Akkupack thermisch durch, erhitzt sie in der Regel die benachbarten Zellen so weit, dass diese in der Folge ebenfalls durchgehen. Eine Kettenreaktion wird angestoßen. Akkupacks können, je nach Größe, über mehrere Minuten oder sogar Stunden brennen. Es kann auch vorkommen, dass ein Akkupack, der nur zum Teil verbrannt ist, noch nach Stunden oder Tagen erneut in Brand gerät.

 

Die Brandgefahr ist während der Ladephase am größten. Das Brandpotential hängt stark vom Ladezustand ab.

Thermisch durchgehende Li-Ionen-Akku in verschiedenen Ladezuständen

Die Fotos zeigen Brandversuche mit einer leeren, einer halb geladenen und einer voll geladenen Lithium-Ionen-Akkuzelle. Videos zu den Auswirkungen des Ladezustandes auf das Brandpotential sind in Vorbereitung.

 

Was kann einen Brand auslösen?

  • zu hohe Temperaturen. Lithium-Akkus sind nach Angabe namhafter Hersteller bis zu einer Temperatur von 60° zugelassen. Oberhalb dieses Wertes besteht die Gefahr der Schädigung bis hin zur Brandentstehung;
  • eine Fehlfunktion der elektronischen Überwachung und Steuerung bzw. eine Fehlfunktion des BMS;
  • ein externer Kurzschluss;
  • mechanische Beschädigungen der Zellen, zum Beispiel durch einen Sturz.
  • zu niedrigen Temperaturen. Wird der Akku längere Zeit Frostwerten ausgesetzt, droht ein dauerhafter Kapazitätsverlust, und es besteht Brandgefahr bei folgenden Ladevorgängen.

Jenseits der Mobilität

 

Lithium-Ionen-Akkus werden nicht nur für mobile Anwendungen genutzt, sondern auch als stationäre Energiespeicher, zum Beispiel:

  • als Heimspeicher für Photovoltaikanlagen und
  • für Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), die bei Stromausfällen den Betrieb von Datenzentren oder kritischer Infrastruktur sicherstellen.

Diese leistungsstarken Speichersysteme sollten unbedingt von einem Fachmann aufgestellt werden, der in der Regel mit den besonderen Sicherheitsanforderungen vertraut ist. Sie sind festgehalten in der

DIN EN 61427-1 VDE 0510-40 – „Wiederaufladbare Zellen und Batterien für die Speicherung erneuerbarer Energien – Allgemeine Anforderungen und Prüfverfahren“

Die Norm beinhaltet unter anderem Hinweise zu den Standortbedingungen und zum Schutz vor Stößen und Schwingungen beim Transport. Wie bei mobilen Anwendungen muss bei stationären Speichern der Schutz berücksichtigt werden vor:

  • extremen und ungleichmäßigen Temperaturen,
  • direkter Sonneneinstrahlung.

Hinzu kommt der Schutz vor:

  • Staub und Sand in der Luft,
  • explosiver Umgebungsluft,
  • Überflutung, Kondenswasser, Meerwassersprühnebel und
  • Erdbeben.

Lithium-Eisenphosphat-Akkus

Es gibt Lithium-Akkumulatoren aus unterschiedlichen Materialkombinationen, die unter anderem die Energiedichte und die Lebensdauer beeinflussen. Da es auf dieser Internetseite vor allem um die Brandgefahr geht, sei nur ein Akkutyp erwähnt, der diesbezüglich anders zu bewerten ist:

Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LiFePo) unterscheiden sich in ihrer Bauform von Lithium-Ionen-Akkus. Sie haben eine etwas geringere Energiedichte und darum bei gleicher Leistung einen größeren Platzbedarf. Aus diesem Grund werden sie kaum in mobilen Anwendungen, sondern eher für stationäre Speicher verwendet. Auch von LiFePo-Akkus geht eine Brandgefahr aus, sie ist aber etwas geringer als die der Lithium-Ionen-Akkus.