Elektrotechnik

Lebensdauer und Sicherheit von Lithium-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus sind heute in vielen mobilen Geräten im Einsatz. Ob E-Bike oder -Roller, Akkuwerkzeug, smarte Elektronik usw., die Anforderungen an die Energiespeicher sind vielfältig. Hält man einige Grundregeln ein, beeinflusst das die Leistung und Lebensdauer der Akkus positiv.

Bei falschem Umgang beziehungsweise durch Überladung oder bei Unfällen wie hartem Aufschlag können die Stromspender schnell zur Gefahr werden und sogar Brände verursachen. Mit dem richtigen "Batteriemanagement" dagegen können Bike- und Rollervermieter oder Werkzeugbetreiber, Autogaragen und künftig auch Abschleppunternehmen in der Praxis Geld und Zeit sparen. Wie dies am besten funktioniert, wird nachfolgend in einige Fakten erklärt, denn wer liest schon eine Bedienungsanleitung im Detail durch? Ein Problem, das wohl jeder kennt: gerade bei Alltagsgegenständen mit intuitiver Bedienung werden Herstellerhinweise gerne übergangen. Waren die alten Nickel/Cadmium und Nickel/Metallhydridzellen recht unempfindlich gegenüber Fehlverhalten, stellen die neueren Lithium-Akkus einige Anforderungen an den Benutzer. So verkürzt das Fehlverhalten ihre Lebensdauer und kann schlimmstenfalls zum Brand führen.

Artgerechte Akku-Haltung

Grundsätzlich gelten für alle Lithium-Ionen-Akkus einige essentielle Vorgaben: solche Akkus altern schneller bei höherem Ladezustand und höheren Temperaturen. Ebenso wichtig, eventuell flüssige oder gelförmige Elektrolyte in der Zelle dürfen nicht unter dem Gefrierpunkt geladen werden. Ist das Akkuwerkzeug also nach einem winterlichen Ausseneinsatz oder über Nacht im eiskalten Auto gelagert, sollte es nicht sofort aufgeladen werden. Dennoch ist ein rechtzeitiges Nachladen gut, denn bei einer durchschnittlichen Selbstentladung von im Schnitt 3 Prozent pro Monat bei Zimmertemperatur sollte etwa alle sechs Monate der Akku auf 55 bis 75 Prozent aufgeladen werden. Auch selten genutzte Akkus gilt es daher alle paar Monate auf den Ladezustand zu kontrollieren und nachzuladen. Ideal für die Lebensdauer aber kaum praxistauglich wäre ein nur wenig geladener, kühl gelagerter, regelmässig kontrollierter Akku, der vor Gebrauch geladen und danach gegebenenfalls teilweise wieder zu entladen wäre.

Gefahrenpotential Akku

Dass Lithium-Ionen-Akkus gefährlich sind, zeigt unter anderem die Einstufung aller Lithium-Batterien seit dem 1. Januar 2009 als Gefahrgut der Klasse 9. Für den Versand muss, in der Regel durch den Zell- bzw. Batteriehersteller, zunächst der Transport-Test UN 38.3 durch ein akkreditiertes Prüflabor durchgeführt werden. Mechanische Schäden gilt es durch geeignete Verpackung auszuschliessen, denn oft ist ein mechanischer Defekt von aussen nicht sichtbar. Auch längere Zeit nach dem mechanischen Defekt kann es noch zum inneren Kurzschluss kommen. Ebenso kann durch eine äußerliche Beschädigung Luft und Luftfeuchtigkeit in die Zelle eindringen und zu unerwünschten chemischen Reaktionen führen. Das gilt nicht nur für den Transport neuer Energiespeicher, sondern vor allem für Akkus im mobilen Einsatz! Hier kann ein Sturz oder Schlag zur Beschädigung und im ungünstigsten Fall zum Brand führen.

Dass Überladen schlecht ist, leuchtet ein, aber Lithium-Ionen-Akkus können auch bei Tiefentladung durch innere Kurzschlüsse in Brand geraten. Ähnlich verhält es sich bei einer Überlastung: bei mehr als 60 °C sollte kein Akku betrieben werden. Selbst eine minimale lokale innere Überhitzung führt sonst zum sogenannten Thermal Runaway (thermischen Durchgehen) und kann einen Brand verursachen. Ein mobiles Arbeitsgerät sollte daher im Sommer nicht im heissen Fahrzeug oder nahe einer Hitzequelle gelagert und danach sofort voll eingesetzt werden.

Sicherer Schutz in der Praxis

Weitgehenden Schutz während der Nutzung bietet die Einhaltung weniger Regeln: Akkus sollten immer nur in den dafür vorgesehenen Geräten verwendet werden. Das schliesst sowohl eine Überlastung während der Energieabgabe wie auch eine Tiefentladung weitgehend aus. Zudem sollten Akkus nur mit dem explizit dafür vorgegebenen Ladegerät geladen werden! Sind viele Akkuwerkzeuge, E-Bikes oder sonstige E-Mobilteile im Einsatz, ist schnell mal das falsche Gerät gewählt und ein enormer Stresstest durch das Laden nicht auszuschliessen.

Natürlich sind Akkubrände selten; sie kommen aber vor, insbesondere bei Fehlbedienung, und das Risiko steigt mit der Zahl der Akkus. Für Betriebe, die eine grössere Anzahl an Lithium-Ionen-Akkus betreiben, ist daher eine zusätzliche Sicherung bei der Lagerung und bei Ladevorgängen wichtig. Da selbst neue Akkus durchaus Zellen mit unterschiedlichem Ladezustand enthalten können, müssen sie als erstes aufgeladen und auf gleiches Ladeniveau gebracht werden. Bei Aufbewahrung in einem Akku-Sicherheitsschrank von CEMO würde sich die Flammbildung damit auf das Schrankinnere beschränken. Das kann ein wichtiger Baustein im Brandschutzkonzept sein.  Auch für Fahrradhändler mit E-Bikes oder Rad- bzw. Rollerverleih ist eine solche sichere Lademöglichkeit ideal, denn wer kann schon sagen, ob beim Verleih oder der Probefahrt nicht mal der Akku heruntergefallen oder das Rad hart aufgeschlagen ist? Kommt es danach beim Ladevorgang zum inneren Kurzschluss, verhindert ein Sicherheitsschrank ein noch grösseres Unglück. Zudem senken manche Versicherungen die Prämien, wenn man geeignete Brandschutz-Vorkehrungen nachweisen kann.

Alt, aber nicht harmlos

Brandschutz ist auch bei der Lagerung verbrauchter oder schadhafter Lithium-Ionen-Akkus wichtig. Wie schon beschrieben kann sowohl eine Tiefentladung als auch eine mechanische Beschädigung zu inneren Kurzschlüssen und thermischen Durchgehen führen. Nach einer Daumenregel erzeugt ein Akku rund 10-mal so viel thermische Energie im Brandfall wie er elektrisch liefern kann. Bei einem E-Bike-Akku von beispielsweise 360 Wh (Akkugröße 36 V / 10 Ah) wären das immerhin 3,6 kWh thermische Energie, was dem Äquivalent von ca. 100 ml Benzin entspricht. Um einen Gebäudebrand zu starten reicht das aus, zumal benachbarte Akkus dabei auch mit durchgehen können, der enthaltene Elektrolyt wie Benzin brennt und sich Lithium-Akkus mit Wasser nur kühlen, aber nicht mit vollständiger Gewissheit ablöschen lassen. Für kleinere Mengen Alt-Akkus bietet sich daher ein erprobter und zugelassener Akku-Sammelbehälter an oder eine Akku-Sicherheitstonne. Grössere Akkus aus Elektro-Pkw o.ä. können in einem auch per Hubwagen befahrbaren Brandschutzcontainer sicher gelagert werden. Die Investition lohnt sich, mit steigender Zahl an Hybrid- und Elektroautos schnell, da es schon mehrere Fälle mit Selbstentzündung von Unfallwagen gab. Akkus von Elektroautos fingen dabei noch über eine Woche später auf dem Abstellplatz Feuer. Werkstätten und Abschleppunternehmen müssen daher in Zeiten der Elektromobilität dringend umdenken und sich entsprechend ausrüsten.