Sicherer Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus
Lithium-Ionen-Zellen dominieren seit Jahren den Markt für wiederaufladbare Batterien. Die leistungsfähigen Energiespeicher befinden sich in zahlreichen elektronischen Geräten wie Fernbedienungen, Fernbedienungsschlüsseln, Mobiltelefonen, Tablets und Laptops. Weltweit werden jedes Jahr rund fünf Milliarden Lithium-Ionen-Akkus verbaut. Lithium-Ionen-Akkus kommen ohne das giftige Schwermetall Cadmium aus und haben konkurrierende elektrochemische Speicher wie Nickel-Cadmium oder Nickel-Metallhydrid vom Markt verdrängt. Zu den Vorteilen von Lithium-Ionen-Zellen gehören ihre Energiedichte, Zyklenfestigkeit und Selbstentladungsrate.
Allerdings kann das Über- und Tiefentladen von Lithium-Ionen-Zellen zu Feuer oder sogar einer Explosion führen. Defekte durch Produktionsfehler oder mechanische Beschädigungen am Schutzmantel der Lithium-Batterie können einen Kurzschluss im Akku auslösen, der zu einer Selbstzündung führt. Aufgrund der explosiven Reaktion des Smartphones Samsung Galaxy Note7 ist der Versand von Akkus sowie ihre Mitnahme in Flugzeugen stark eingeschränkt worden.
Mit zunehmendem Alter eines Akkus kann es zu Ausgasungen kommen, wodurch sich der Akku aufbläht. Wenn die einzelnen Schichten im Inneren des Akkus aufgrund eines Defekts nicht mehr voneinander getrennt sind und die Elektroden sich berühren, kommt es zum Kurzschluss im Akku. Durch die frei werdende Energie kann in kurzer Zeit soviel Wärme freigesetzt werden, dass die Zündtemperatur des Elektrolyten überschritten wird und sich dieser zersetzt. Diese Reaktion wird noch durch Freisetzung von Sauerstoff an der Kathode verstärkt, was wie ein interner Brandbeschleuniger funktioniert und unter Umständen zu einer Explosion des Akkus führen kann.
Durch die Entwicklung immer dünnerer Lithium-Akkus, bei denen die Abstände zwischen Anode und Kathode immer kleiner geworden sind, hat sich das Risiko erhöht, das interne Kurzschlüsse entstehen können. Vielen Geräte-Nutzer*nnen ist nicht bekannt, dass die Überhitzung eines Akkus eine Kettenreaktion auslösen kann, die zum „Thermal Runaway“ und damit zum Brand oder einer Explosion führt. Bei der Selbstzündung entstehen Metallbrände mit Temperaturen von 1.000 °C . Bei einer ordnungsgemäßen Handhabung von Lithium-Ionen-Akkus besteht nur eine sehr geringe Brandgefahr.
Akkus sollten nicht überladen oder in der Nähe von Wärmequellen gelagert werden. Beim Einsatz von Ladegeräten ist darauf zu achten, dass diese selbstständig den Stromfluss abschalten, sobald der Akku vollständig geladen ist.
Sofern ein Akku aufgebläht ist, sollte das elektronische Gerät sofort ausgeschaltet und in einem feuerfesten Behälter wie einer verschließbaren Metalldose oder einem Metalleimer mit Sand platziert werden. Falls der Akku in Brand gerät, ist es nicht zu empfehlen, den Brand mit Wasser zu löschen, da bei der Reaktion von Lithium mit Wasser sehr viel Wärme entwickelt wird. Als Reaktionsprodukte entstehen dabei ätzende Lithiumlauge (LiOH) und leicht brennbarer Wasserstoff (H2).
Bei einem aufgeblähten Akku ist zu beachten, dass dieser erst nach vollständiger Entladung kein Risiko mehr darstellt und vorher nicht transportiert werden sollte. Akkus dürfen nicht im Restmüll entsorgt werden, sondern müssen bei einer Sammelstelle oder auf einem Wertstoffhof entsorgt werden. Akkus dürfen nicht per Post zu einer Sammelstelle geschickt werden, da es auf dem Transportweg zu Brandfällen kommen kann. Da immer mehr Lithium-Akkus und Lithium-Batterien in Geräten unkontrolliert im Restmüll und Elektroschrott landen, kommt es zunehmend zu Bränden in Recyclingbetrieben, bei denen Giftstoffe freigesetzt werden.
Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden sich maßgeblich durch das eingesetzte Kathoden- und Anodenmaterial. Zudem ist ausschlaggebend, ob ein Festkörperelektrolyt oder ein flüssiger Elektrolyt verwendet worden ist. Die Leistung, Lebensdauer und Energiedichte der Lithium-Ionen-Zellen hängt vom Einsatz der Kathodenmaterialien ab.
★ Lithium-Cobalt-Oxid (LCO) besitzt eine hohe Energiedichte, aber mit 500 bis 1.000 Zyklen nur eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer. Da LCO-Kathoden nicht sehr widerstandsfähig gegen Temperaturen sind, können sie leicht in Brand geraten.
★ Lithium-Mangan-Oxid-Spinell (LMS) sind widerstandsfähiger gegen Hitze, besitzen allerdings eine rund 20-fach geringere Energiedichte.
★ Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan (NMC) gelten als das erfolgreichste Lithium-Ionen-System, da sie einen Kompromiss aus guter elektrochemischer Leistungsfähigkeit, hoher Energiedichte und Kosten bieten.
★ Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) sind sehr sichere Batterien, da sie feuerfest bei einer Überladung sind. Sie besitzen allerdings eine niedrigere Energiedichte und entladen sich schneller als andere Lithium-Ionen-Batterien.
★ Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (NCA) besitzt eine hohe spezifische Energiedichte, gute Leistung und hohe Lebensdauer.
