Akku-Technik Gefährdungspotenzial von Li-Ionen-Zellen

BMZ Batterien-Montage-Zentrum GmbH
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Lithium-Ionen-Zellen dominieren den Markt für wiederaufladbare Batterien. Sie haben konkurrierende elektrochemische Speicher wie Nickel-Cadmium oder Nickel-Metallhydrid im Laufe der letzten Jahre ersetzt. Das liegt einerseits daran, dass die Verwendung von Cadmium, ein giftiges Schwermetall, in Europa verboten wurde. Andererseits sind Li-Ionen-Zellen bezüglich Energiedichte, Zyklenfestigkeit und Selbstentladungsrate ihren Konkurrenten überlegen. Von Lithium-Ionen-Zellen geht aber bei Über- und Tiefentladen eine Gefahr aus, die im ungünstigsten Fall zu einem Feuer führt.

Lithium (Li) ist in mehrerer Hinsicht ein ganz besonderes Element: Zum Ersten ist Lithium das leichteste feste Element auf unserer Erde, und obwohl es ein Metall ist, ist seine Dichte so gering, dass es auf Wasser schwimmt. Mit Lithium lassen sich also besonders leichte Zellen konstruieren - wesentlich leichter, als es mit Blei möglich ist.

Zum Zweiten hat Lithium das negativste Normalpotenzial (E0: -3,04 V) aller Elemente; das heißt einerseits, dass es ein Elektron so bereitwillig abgibt wie kein anderes Element - freie Elektronen werden für den Stromfluss von der Anodenseite (negative Elektrode) zur Kathodenseite (positive Elektrode) benötigt - und andererseits, dass sich mit Lithium die höchsten Zellspannungen erreichen lassen. Beides zusammengenommen ergibt eine unschlagbare, auf das Gewicht bezogene Energiedichte, die mindestens doppelt so hoch ist wie die von NiMH-Zellen.

Zum Dritten jedoch ist Lithium ein Metall, das sehr reaktionsfreudig und leicht brennbar ist. Beim Umgang mit Lithium ist also Vorsicht geboten, denn Metallbrände sind nur sehr schwer zu löschen. Auch muss ein Kontakt von Lithium mit Wasser vermieden werden. Bei der Reaktion Lithium mit Wasser wird sehr viel Wärme entwickelt und als Reaktionsprodukte entstehen ätzende Lithiumlauge (LiOH) und leicht brennbarer Wasserstoff (H2).

Im Gegensatz zu der Blei-, NiCd- und NiMH- wird bei der Li-Ionen-Technik deshalb auch kein wässeriger Elektrolyt verwendet. Stattdessen werden wasserfreie organische Elektrolytflüssigkeiten eingesetzt. Eine Elektrolytflüssigkeit ist in jeder elektrochemischen Zelle notwendig, damit es zum Ladungsausgleich kommen kann. Jede Zelle besteht zudem aus einer Anode (dort treten die Elektronen aus), einer Kathode (dort werden die Elektronen aufgenommen) und einem Separator (meistens Polyethylen-Folie), der einen direkten Kontakt zwischen Anode und Kathode und somit einen Kurzschluss verhindert.

Beim Entladevorgang gibt ein Li-Atom auf der Anodenseite ein Elektron, d.h. negative Ladung, ab und zurück bleibt ein positiv geladenes Li-Ion. Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis von Anode zu Kathode, gleichzeitig wandern aufgrund der elektrischen Anziehung die Li-Ionen über die Elektrolytflüssigkeit durch den Separator zur Kathode. Somit wird verhindert, dass die Kathode sich negativ auflädt, nachfolgende Elektronen abgestoßen werden und der Stromfluss zum Erliegen kommt. Beim Aufladevorgang kehren sich die Vorgänge um und wegen der beim Laden und Entladen hin- und herwandernden Li-Ionen spricht man von der Li-Ionen-Zelle.

Zellen, die pures Lithium beinhalten, die sogenannten Lithium-Metall-Zellen, sind nicht wiederaufladbar. Prinzipiell ließen sie sich zwar wiederaufladen, jedoch würde sich das Lithium beim Aufladen nicht planar (flach) abscheiden, sondern als spitzes „Nädelchen“ (Dendrit) aufwachsen, das leicht den Separator durchstoßen und somit einen Kurzschluss verursachen könnte. Aus diesem Grund wird für Li-Ionen-Zellen kein metallisches Lithium, sondern ein Aktivmaterial - üblicherweise Graphit - auf der Anodenseite eingesetzt, in das die Li-Atome kontrolliert eingelagert werden können (Interkalation).

Auf der Kathodenseite wird ein Metalloxid, z.B. Cobaltoxid oder Manganoxid, eingesetzt, um eine möglichst große Potenzialdifferenz zwischen Anode und Kathode zu generieren. Sowohl das Graphit als auch die Metalloxide sind schichtweise strukturiert, damit die Li-Ionen sich zwischen den Schichten einlagern können (Bild 1).

Werden Li-Ionen-Zellen überladen oder hohen Temperaturen ausgesetzt, dann bricht die Schichtstruktur der Metalloxide zusammen. Bei diesem Vorgang - er verläuft stark exotherm, d.h. hohe Energiemengen werden freigesetzt - wird elementarer Sauerstoff gebildet. Die hohe Wärmeenergie führt zu einer Verdampfung der organischen Elektrolytflüssigkeit, wodurch leichtbrennbare Gase entstehen.

Überschreitet die Temperatur in der Zelle den Flammpunkt eines Gases, dann entzündet sich dieses organische Gas und die Li-Ionen-Zelle brennt. Da dies ein sich selbst verstärkender Prozess ist, kann er zum thermischen Durchgehen führen und die eingelagerten Li-Atome entzünden (Metallbrand). Ein solcher Brand lässt sich nur schwer löschen. Auf keinen Fall darf mit Wasser gelöscht werden! Auch Löschversuche mit speziellen Metallbrandlöschern (Feuerlöscher Klasse D) können erfolglos bleiben, da Li-Ionen-Zellen den zum Brand benötigten Sauerstoff selbst erzeugen.

Das Tiefentladen einer Li-Ionen-Zelle kann ebenfalls zu einem Brand führen. Wiederum zersetzt sich die Elektrolytflüssigkeit und bildet dabei leicht brennbares Gas. Aus dem Kupferblech, das auf Anodenseite als Ableitermaterial genutzt wird, gehen Kupfer-Ionen in Lösung. Wird solch eine tiefentladene Li-Ionen-Zelle geladen, kann die zugeführte Energiemenge durch das Fehlen von Elektrolytflüssigkeit nicht mehr in chemische Energie gespeichert werden. Die Lade-Energie wird in Wärme umgesetzt. Außerdem scheiden sich die gelösten Kupfer-Ionen als Kupfer-Nadeln auf dem Graphit (Anode) ab. Sie können die Separatorfolie durchstechen und einen Kurzschluss herbeiführen.