Lithiumbatterien

Lithiumbatterien – Gefahren und Risiken

Wenn man allgemein von Lithiumbatterien spricht, denkt man sofort an wieder aufladbare Batterien mit großer Leistung und langer Lebensdauer. Sie sind zudem auch noch relativ leicht  und können somit ideal für mobile Anwendungen genutzt werden.

Lithiumbatterien sind Energiespeichersysteme, in denen Lithium als Aktivmaterial für die Batterieelektrode verwendet wird. Man unterscheidet bei den Lithiumbatterien zwischen aufladbaren und nicht aufladbaren Batteriearten. Die nicht aufladbaren werden als Lithium-Metall und die aufladbaren als Lithium-Ionen Batterien bezeichnet.

Diese relativ junge Technologie verbreitet sich über unseren Globus in einer unglaublichen Geschwindigkeit, dies insbesondere auch seit dem Einzug dieser Technik in die E-Mobilität. Die Energiespeicher der Elektroautos der Zukunft basieren auf dieser Technologie und Ingenieure suchen weltweit nach Möglichkeiten der kontinuierlichen Leistungssteigerung.

Betriebliche Sorgfaltspflichten im Umgang mit Lithiumbatterien

Erst durch spektakuläre Schadenfälle einhergehend mit einem Flugzeugabsturz in 2010, mehreren Flugzugbränden sowie industriellen Bränden, ausgelöst durch Lithiumbatterien, erfolgte eine Sensibilisierung für dieses Thema.

Die Lithiumbatterien sind kleine „Kraftwerke“, die chemisch gespeicherte Energie beim Entladevorgang in elektrische Energie umwandeln. Sie können im Normalbetrieb diesem Lade- und Entladevorgang unbeschadet mehrere hundertmal unterzogen werden, dafür sind sie ausgelegt und gebaut.

Nichtsdestotrotz passiert es immer wieder, dass Lithiumbatterien als Brandursachen identifiziert werden. In der Regel beginnt das mit einem Schwelbrand, der, wenn er im frühen Stadium entdeckt wird, noch mit herkömmlichen Löschmitteln bekämpft werden kann.

Wird der Schwelbrand nicht sofort erkannt, erhitzen sich die Batterien durch die weitere Wärmeeinwirkung so stark, dass es zu einer unkontrollierten Explosion der Batterie kommen kann. Dabei muss man wissen, dass die sich entladende thermische Energie das vielfache der gespeicherten elektrischen Energie ausmachen kann. Der Fachmann bezeichnet diesen Vorgang mit „Thermal Runaway“, eine Systemüberhitzung, die zu einem Versagen des Batteriegehäuses führt und als explosionsartige Entladung wahrgenommen wird.

Risiken und Gefahren

Solange die Lithiumbatterie den normalen Betriebsbedingungen ausgesetzt, die Batterie nicht durch Produktionsfehler, mechanische und/oder thermische Einwirkung beschädigt wird, ist das Schadenrisiko gering. Die Lithiumbatterie ist für einen sehr breiten Temperaturrahmen ausgelegt, der von -20° – +60° reicht. Die idealen Betriebsbedingungen mit dem größten Leistungsspektrum erstrecken sich von 20° – 40°. Darüber bzw. darunter verliert das System an Leistung. Deshalb sollte man die Batterie nicht Frost oder sehr großer Hitze aussetzen.

Ursachen für Batteriebrände

Die häufigsten Ursachen sind fehlerhafte Handhabung, mechanische Beschädigung, übermäßig hohe thermische Belastung z.B. auch durch Sonneneinstrahlung, ein Kurzschluss durch äußere oder auch innere Einwirkung oder Überladung bzw. Überentladung der Zelle / Batterie.

In allen Fällen kommt es in der Regel zu Störungen im Inneren der Zelle, zu Beschädigungen des Batteriegehäuses mit der Folge von Austritt ätzender, giftiger und krebserregender Substanzen in fester oder gasförmiger Form. Da Lithium einen relativ niedrigen Schmelzpunkt von nur ca.180° hat, ist die Brandgefahr durch explosionsartige Entladung in Verbindung mit dem Elektrolyt besonders groß.

Allgemeine Schutzmaßnahmen

Als Arbeitgeber ist man nach dem Arbeitsschutzgesetz und der Betriebssicherheits-verordnung zu Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen verpflichtet. Dieses gilt sowohl für bauliche, organisatorische und anlagentechnische Maßnahmen. Die hohe Brandgefahr erfordert u.U. besondere bauliche Räume, die aus nicht brennbaren Materialen als Brandabschnitt konstruiert werden und verhindern helfen, dass Brände auf andere Gebäudeteile überspringen können.

Lithiumbatterien sind generell von anderen Materialien getrennt zu lagern und mit besonderen Sensoren (Brandmelden) zu versehen, die bereits den Schwelbrand melden und so größere Brandschäden verhindern helfen. Die Feuerwehr empfiehlt die direkte Verknüpfung der Rauchmeldeanlage mit 24 Std. besetzen Einsatzleitstellen.

Für die Mitarbeiter ist „richtiges Verhalten“ bei Lithiumbränden besonders wichtig. Die Lithiumbatterien sind Gefahrgut, die Mitarbeiter lernen durch fachliche Unterweisung den richtigen Umgang mit dem Material für den externen Transport. Analog gilt dieses Wissen natürlich auch für die internen Transporte.

Es beginnt mit der Auswahl und Kennzeichnung der Lagerorte und umfasst die Regelung der Fluchtwege. Brennbare Gegenstände gehören deshalb nicht in die Nähe dieser Läger. Über ausreichende Be- und Entlüftung sollte ebenfalls im Planungskonzept etwas ausgeführt sein. Des Weiteren müssen jegliche Risiken der mechanischen Beschädigung vermieden werden.

Für gebrauchte oder defekte Lithiumbatterien müssen besondere Behältnisse (nicht brennbar) organisiert werden, in denen diese Teile abseits von brennbaren Gegenständen gelagert werden. Das gleiche gilt für Entsorgungsmaterial. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass die Pole der Batterien mit Isolierband abgeklebt werden, um einen Kurzschluss und einen möglichen Brand ausschließen zu können.

Eine ausreichende Versorgung mit Handfeuerlöschern ist ebenfalls zu empfehlen.

Qualitätskontrolle nach Konfektionierung eines Akkupacks für die Industrie

Lithium-Ionen Batterien

Lithium-Ionen Batterien gewinnen immer mehr an Bedeutung

Lithium-Ionen Batterien, oder auch Li-Ionen Batterien, sind im Vergleich zu anderen Akku-Systemen eine relativ „junge“ Alternative. Trotzdem haben sie bereits jetzt viele andere Batterien vollständig abgelöst. Vor Allem in Bereichen die ein hohes Maß an Mobilität und Leistungsstärke erfordern greifen Hersteller immer wieder auf die leichten Batteriewunder zurück.

Eine sehr hohe Zellspannung erlaubt es den Lithium Batterien wesentlich mehr zu leisten als andere Batterien der gleichen Größe. Sie kennen keinen Memory-Effekt und sind bei langer Lagerung genauso unempfindlich wie pflegeleicht. Der Memory-Effekt schränkt auf Dauer die Kapazität eines Akkus ein. Lithium-Ionen Akkus sind aber vor Allem deshalb so beliebt, weil sie unanfällig dem Memory-Effekt gegenüber sind. Sie verfügen über eine sehr geringe Selbstentladung und lassen sich bei Außentemperaturen zwischen -20 und +70 Grad Celsius ohne Qualitätsverlust nutzen.

Hohe Leistung und Energiedichte

Lithium-Ionen Batterien sind wiederaufladbar und eignen sich, dank ihrer sehr hohen Leistung und Energiedichte, hervorragend für die tägliche Nutzung. Sie verfügen über ein Battery-Management-System (BMS) und sind so vor Über- oder Unterspannung und zu hohen oder niedrigen Temperaturen bestens geschützt.

Wegen ihrer vielen Vorteile werden Lithium-Ionen Batterien vielfältig eingesetzt. In Mobiltelefonen, Notebooks und Kameras zum Beispiel, aber auch in E-Bikes oder sogar PKWs.

Langlebigkeit der Zellen

Es schadet einem Akku nicht, wenn er nicht sofort nach Gebrauch wieder vollgeladen wird. Der Bereich für die beste Langlebigkeit der Zellen liegt zwischen 30 % und 80 %. Die Lebensdauer eines Akkus verdoppelt sich teilweise, wenn dies beachtet wird. Hohe Spannungen > 4 Volt sollten allerdings vermieden werden. Sowohl beim Laden eines Akkus als auch beim Entladen sollte man die Lade- und Entladeschlussspannungen nicht über- bzw. unterschreiten. Die Zelle ist dann entweder vollständig geladen oder vollständig entladen.

Ein weiteres Aufladen oder Entladen kann zur permanenten Schädigung einer Zelle führen. Die Akkus für eBikes verfügen über ein BMS (Batterie Management System) was das Überladen und Tiefentladen verhindert. In Berührung mit Wasser sollten Lithium-Zellen allerdings nicht kommen, das würde sie irreparabel schädigen.

Anzeige eines Akku Ladevorgangs bei der Akku Reparatur

BMS – Batterie Management System

Das Batterie Management System, kurz BMS,  ist eine elektronische Steuerung, die den Zustand der Batterie überwacht und regelt. Es ist ein wichtiger Bestandteil jeder Batterie und sorgt für den notwendigen Zellenausgleich. Es verhindert einen Kurzschluss und schützt die mit dem Übertemperaturschutz.

Das BMS kontrolliert die Zellenspannung und verhindert eine Über- oder Unterspannung.

Den Akku zu überladen oder vollständig zu leeren ist also nicht möglich. Beides würde dem Akku schwer zusetzen und ihn eventuell sogar unbrauchbar machen.

Die Zelle wird vor einer Unterspannung geschützt in dem die Last, also Beispielsweise die Nutzung der Zelle unterbrochen wird. Ein Beispiel dafür sind neben E-Bike Akkus auch Akkus für Smartphone und Tablet.

Genauso schützt ein BMS die Zelle vor Überspannung. Ist ein Akku voll geladen, reduziert das BMS den Ladevorgang oder schaltet ihn eventuell sogar ganz aus. Auch da kann man als Beispiel ein Smartphone oder Tablet anführen. Ist der Akku 100% aufgeladen stoppt das integrierte BMS den Ladevorgang und fängt erst wieder an den Akku eines Geräts aufzuladen wenn der Akku nicht mehr voll aufgeladen ist.

Ein BMS sorgt also für die nötige Sicherheit eines Akkus. 

Es kann über einen Datenbus mit dem Motor und dem Display von zum Beispiel einem E-Bike kommunizieren und melden wenn ein Problem mit dem Akku vorliegt.

Ein eingebauter Temperaturfühler kontrolliert die Temperatur während der Auf- bzw. Entladung. Es unterbricht gegebenenfalls den Vorgang falls die Temperatur zu hoch oder zu niedrig wird und schützt damit den Akku vor irreparablen Schäden.

Es werden auch Daten über die Zellentemperatur, die Entladetiefe und die Anzahl der Ladezyklen gespeichert und können bei Bedarf abgerufen werden. Das BMS ist ein ganz wichtiges Element der „intelligenten Batterie“ und verlängert das Zellenleben erheblich.

Balancing

Ein E-Bike Akku besteht aus 7-12 in Reihe geschalteter Zellen. Diese sind in der Regel nicht 100% gleich geladen. Der Balancer gleicht diese Unterschiede aus, indem er schwächere Zellen zusätzlich lädt.

Mitarbeiter entnimmt den Fahrrad Akku vor der Akku Reparatur

E-Bike Akku | Lithium-Ionen Akkus im Fokus

Akkus sind tragbare Energiequellen und rücken in Zeiten von Mobilität und Unabhängigkeit immer weiter in den Fokus. Sie überzeugen ihre Nutzer durch Umweltfreundlichkeit und Leistungsstärke. Vor allem in den Bereichen E-Mobilität und portable Medien ist der Akku ein wichtiger Bestandteil. E-Bikes zum Beispiel erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Aber auch Smartphones, Tablets und Notebooks sind auf die Leistungsstärke ihrer Akkus angewiesen.

In E-Bikes werden heutzutage ausschließlich Lithium-Ionen Akkus verbaut.

Sie dominieren den Markt und haben die meisten Wettbewerber fast vollständig ersetzt. Namhafte Hersteller von Li-Ionen Akkus sind z.B. Sony, Samsung, LG, Panasonic und Lishen. Die Bezeichnung Lithiumbatterie umfasst mehrere verschiedene Batteriesysteme.

Jeder Akku besteht aus mehreren Zellen, die elektrische Energie durch ein Zusammenspiel von chemischen und physikalischen Elementen speichern und wieder abgeben können.

Lithium ist das Leichteste aller festen Elemente. Wegen seiner geringen Dichte eignet es sich besonders für die Herstellung von sehr leichten Zellen. Durch ihre hohe Energiedichte bieten Lithium-Ionen Akkus bei gleicher Größe eine bessere Leistung als andere Akku-Varianten.

Nicht aufladbare Zellen nennt man Primärbatterien. Sie sind für den einmaligen Gebrauch vorgesehen.

Lithium-Ionen Batterien, oder auch Sekundärbatterien enthalten neben Lithium weitere Elemente, die die Zellen wiederaufladbar machen. Welche Elemente genutzt werden hängt vom jeweiligen Anforderungsprofil ab.

Für Mobiltelefone und Notebooks werden meist Lithium und Cobaltoxid verwendet. Weitere Formen wären Lithium-Polymer Batterien und Lithium-Eisenphosphat Batterien.

Die Vorteile von Lithium-Ionen Akkus, insbesondere bei E-Bikes.

Lithium-Ionen Akkus sind unempfindlich dem sogenannten Memory-Effekt gegenüber. Von Memory-Effekt spricht man, wenn ein Akku sich den Energiebedarf „einprägt“ und später dafür sorgt dass nur noch die Energiemenge zur Verfügung gestellt wird, die bei bisheriger Nutzung benötigt wurde. Für Lithium-Ionen Akkus trifft das allerdings nicht zu.

Die geringe Selbstentladungsrate trägt weiterhin dazu bei, dass Lithium-Ionen Akkus die momentan beste Lösung für Mobile Geräte darstellen. Sie sind leicht, leistungsstark, haben eine lange Lebensdauer und sind einfacher in der Lagerung.

Fast alle verbauten Zellen sind vom Typ 18650, wobei 18 für den Durchmesser und 65 für die Länge stehen.

Zumeist werden Zellen in NCA (Nickel Cobalt Aluminium) NMC (Nickel Mangan Cobalt) und ICR (Lithium Cobaltoxid)  benutzt. Welche Zellen letztlich zum Einsatz kommen hängt von den Vorgaben und Wünschen des E-Bike Herstellers ab.