Lithium-Ionen-Batterien - Damit die Zelle nicht durchgeht

Eine Rauch­wolke über dem Ter­mi­nal A rief Ende Okto­ber die Berlin­er Feuer­wehr und Flughafen­feuer­wehr Tegel auf den Plan. Vor Ort mussten sie ein Feuer löschen und mehrere Ter­mi­nal­bere­iche entrauchen. Grund für den Ein­satz war jedoch kein Prob­lem im Flug­be­trieb: In einem Werk­stat­traum mit Ladeein­rich­tun­gen für Bat­te­rien waren Lithi­um-Ionen-Akkus in Brand geraten.

Brandgefahr steigt mit Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien

Tegel ist kein Einzelfall, Mel­dun­gen im Zusam­men­hang mit bren­nen­den oder explodieren­den Lithi­um-Ionen-Akkus häufen sich. Das liegt zum einen daran, dass immer mehr dieser leis­tungsstarken Spe­ich­er in Umlauf kom­men – allein in Deutsch­land sind es mehr als 10.000 Ton­nen pro Jahr. Gründe dafür gibt es viele: die steigende Zahl von Smart­phones und Tablets, der Kom­fort beim Arbeit­en mit kabel­losen Werkzeu­gen, die Energiewende mit ihrem Trend zu Strom­spe­ich­ern und Elek­troau­tos und nicht zulet­zt die beson­dere Leis­tungsstärke der kom­pak­ten Akkus. Zum anderen ist die Brandge­fahr bei Lithi­um-Ionen-Akkus tat­säch­lich größer als bei Akkus auf Basis von Blei oder Nick­el-Cad­mi­um, weil sie deut­lich höhere Energiedicht­en aufweisen. Diese Brandge­fahr kommt vor allem bei tech­nis­chen Defek­ten und bei nicht sachgerechter Hand­habung zum Tragen.

Hauptproblem falsches Handling

Das Fraun­hofer-Insti­tut für Solare Energiesys­teme (ISE) hat in den ver­gan­genen Jahren in den Forschung­spro­jek­ten „SPEISI“ und „Safe­ty First“ die Sicher­heit, Zuver­läs­sigkeit und Per­for­mance von Pho­to­voltaik-Heim­spe­ich­ern auf Basis von Lithi­um-Ionen-Bat­te­rien unter­sucht. Tech­nis­che Bedenken haben die ISE-Forsch­er dabei nicht bekom­men, sie sind bei ihren Pro­jek­ten aber auf einige Ungereimtheit­en gestoßen: „von sor­glosem Trans­port bis zur sub­op­ti­malen Auf­stel­lung“, so Stephan Lux, der die Gruppe „Bat­teri­etech­nik“ am Fraun­hofer ISE leit­et. Das deckt sich mit der Ein­schätzung der Berufs­feuer­wehren, die im fehlen­den Wis­sen und dem falschen Han­dling das Haupt­prob­lem sehen – und auch mit den Erken­nt­nis­sen der Dekra. Die Prüfge­sellschaft schätzt beispiel­sweise, dass es mehr als wöchentlich zu Brän­den in Recy­clinghöfen kommt, weil immer mehr Lithi­um-Bat­te­rien aus Gedanken­losigkeit oder Schlampigkeit im Rest­müll oder im Elek­tro- und Met­allschrott lan­den. Der Bun­desver­band der Deutschen Entsorgungs‑, Wass­er- und Rohstof­fwirtschaft (BDE) fordert vor diesem Hin­ter­grund sog­ar eine Pfandpflicht für Lithium-Batterien.

„Thermal Runaway“ verhindern

Die Risiken lassen sich jedoch bere­its mit eini­gen Maß­nah­men im alltäglichen Gebrauch reduzieren. Dass defek­te Akkus nicht länger ver­wen­det und aus­ge­di­ente Bat­te­rien sachgerecht entsorgt wer­den, sollte selb­stver­ständlich sein.

Für funk­tion­stüchtige Lithi­um-Ionen-Akkus gilt: Zu Akkuschä­den, Brän­den oder Explo­sio­nen führen hohe Tem­per­a­turen im Inneren der Zellen. Dieser soge­nan­nte Ther­mal Run­away kann durch fol­gende Fak­toren aus­gelöst wer­den: starke äußere Erwär­mung, äußer­er oder inner­er Kurz­schluss, Über­ladung oder Tiefentladung.

1. Starke äußere Erwär­mung: Ab 60 Grad entste­ht Gas, weil sich die Elek­trolyt­flüs­sigkeit zer­set­zt und ver­dampft. Ab 160 Grad zer­set­zt sich das Kath­o­de­nak­tiv­ma­te­r­i­al, wodurch sich Hitze entwick­elt und Sauer­stoff freige­set­zt wird. Man sollte Akkus also nicht direkt in der Sonne oder im Som­mer im heißen Auto liegen lassen.
2. Äußer­er Kurz­schluss: Dazu kommt es, wenn die Bat­teriepole durch leit­fähiges Mate­r­i­al ver­bun­den wer­den, beispiel­sweise durch Fin­ger­ringe, andere kleine Met­all­ge­gen­stände oder met­allis­che Unter­gründe. Um das zu ver­hin­dern, kann man entwed­er mit Klebe­streifen die Pole voneinan­der isolieren oder die Akkus selb­st schützen, etwa indem man sie einzeln verpackt.
3. Inner­er Kurz­schluss: Diese Verbindung der einzel­nen Zellen kann durch Fehler beim Her­stel­lung­sprozess entste­hen, aber auch durch mech­a­nis­che Ein­wirkung wie Herun­ter­fall­en, starke Erschüt­terung oder Vibra­tio­nen. Ein allzu rabi­ater Umgang mit Akku-Werkzeu­gen sollte also ver­mieden wer­den. Vor­sicht: Wenn es zu ein­er äußeren Beschädi­gung gekom­men ist, kann ätzende Elek­trolyt­flüs­sigkeit auslaufen.
4. Über­ladung: Schon eine ger­ingfügig zu hohe Ladespan­nung führt auf­grund zu großer Lade­ströme zu ein­er Erhitzung des Akkus. Daher dür­fen Lithi­um-lonen-Akkus nur mit dem vorge­se­henen Ladegerät geladen wer­den, nicht mit Geräten von anderen Akkus oder von anderen Her­stellern. Ist der Akku voll, muss das Ladegerät den Prozess sofort und automa­tisch beenden.
5. Tiefent­ladung: Lithi­um-Ionen-Akkus dür­fen nur bis zu ein­er gewis­sen Kapaz­ität ent­laden wer­den. Diese Min­destka­paz­ität kann beispiel­sweise durch Kurz­schlüsse oder unsachgemäße Ver­wen­dung des Akkus unter­schrit­ten wer­den. Dann zer­set­zt sich die Elek­trolyt­flüs­sigkeit und es entste­hen Gase wie Kohlen­monox­id, Kohlen­diox­id, Methan, Ethan und Ethen sowie Wasser­stoff. Daher sollte man den Ladezu­s­tand im Auge behalten.

Außer­dem ist die Lebens­dauer von Lithi­um-Ionen-Akkus begren­zt. Gün­stig ist ein Lade­stand zwis­chen 40 und 60 Prozent sowie eine trock­ene, küh­le und frost­freie Lagerung zwis­chen 0 und 45 Grad. Bei län­ger­er Lagerung sollte von Zeit zu Zeit der Aufladezu­s­tand kon­trol­liert und bei Bedarf wieder­aufge­laden wer­den. Bei der Lagerung von ent­lade­nen Akkus kann es zur Tiefent­ladung kom­men. Immer­hin: Beim Löschmit­tel sind Lithi­um-Ionen-Akkus nicht anspruchsvoll. ABC-Feuer­lösch­er oder Met­all­brand­feuer­lösch­er helfen zwar nicht – aber viel Wasser.