Sicherer Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus

Zusammenfassung

Überblick

Mehr denn je scheint der Energiebedarf der Menschheit nahezu unstillbar. Neueste Entwicklungen und Trends tragen hierzu bei: Während die meisten Elektrogeräte in der Vergangenheit kabelgebunden waren, sind heutzutage viele elektrische Geräte batteriebetrieben, beispielsweise Handy, Laptop, Tablet und Co., aber auch viele Elektrowerkzeuge. Zudem halten größere elektrische Verbraucher, die E-Autos, auf unseren Straßen Einzug. Ihr Anteil am Straßenverkehr wird in den nächsten Jahren weiter anwachsen, da in der EU ab 2035 keine PKW und Kleintransporter mehr zugelassen werden dürfen, die Kohlendioxid ausstoßen.

Dies wurde möglich, weil die Entwicklung von Batterien und Akkus in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht hat. Und die Entwicklung ist noch nicht zu Ende. Momentan sind aber die Lithium-Ionen-Akkus und -Batterien das Maß der Dinge.

Gesetze, Vorschriften und Rechtsprechung

• DGUV-I 205-041 – Brandschutz beim Umgang mit Lithium-Ionen-Batterien
• DGUV FBFHB-018 – Hinweise zum betrieblichen Brandschutz bei der Lagerung und Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus
• DGUV FBFHB-024 – Hinweise für die Brandbekämpfung von Lithium-Ionen-Akkus bei Fahrzeugbränden
• DGUV – Sicherheitshinweise zum Löschen von Lithium-Ionen-Akkus
• VdS 3103 – Lithium Batterien
• ZVEI Merkblatt Nr. 36 – Versand von Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien in/mit Geräten: Umsetzung der Gefahrgutvorschriften

1 Batterien vs. Akkus

Batterien sind elektrochemische Energiespeicher mit einer oder mehreren Zellen. Eine Zelle besteht aus einem negativen und einem positiven Pol sowie einem Elektrolyten, der als Stromleiter fungiert. Man unterscheidet zwischen primärer und sekundärer Batterie. Primäre Batterien sind nahezu überall erhältlich und einfach zu handhaben. Sie haben allerdings den Nachteil, dass sie nicht wiederaufladbar sind und nach dem Gebrauch entsorgt werden müssen. Dies belastet die Umwelt, insbesondere bei unsachgemäßer Entsorgung, da hierbei gefährliche Stoffe freigesetzt werden können.

Akkumulatoren, kurz: Akkus, sind wiederaufladbare Batterien, auch Sekundärbatterien genannt. Akkus können mit einem Ladegerät nach der Nutzung wiederholt aufgeladen werden und erneut einen Verbraucher mit Energie versorgen. Durch die Wiederverwendung haben Akkus eine längere Lebensdauer und stellen somit gegenüber Batterien die umweltfreundlichere Option dar. Allerdings sind Akkus zunächst meist in der Anschaffung teurer und benötigen spezielle Ladegeräte. Durch die mehrfache Nutzung kann der preisliche Nachteil bei der Anschaffung allerdings meist ausgeglichen und in einen finanziellen Vorteil umgemünzt werden – je nachdem, wie oft die Akkus im Einsatz sind.

2 Aufbau von Lithium-Ionen-Akkus

Ein Lithium-Ionen-Akku besteht aus mehreren einzelnen Zellen, die innerhalb dieses Akkus immer gleich aufgebaut sind. Die positive Elektrode, Kathode genannt, besteht aus Lithium-Metalloxid, das unterschiedlich hohe Anteile an Nickel, Kobalt und Mangan enthalten kann. Die negative Elektrode, Anode genannt, besteht meistens aus Graphit, also Kohlenstoff. Anode und Kathode werden von einem Elektrolyt umgeben, so dass sich die Lithium-Ionen als Ladungsträger in der Zelle bewegen können.

Damit Kurzschlüsse verhindert werden, gibt es zwischen den beiden Elektroden einen Separator. Dieser Separator, der aus Vliesstoffen oder polymeren Folien besteht, ist für Lithium-Ionen durchlässig. Daher können sich die Lithium-Ionen zwischen der negativen und positiven Elektrode bewegen.

Beim Laden eines Akkus wandern Lithium-Ionen von der Kathode zur Anode. Beim Entladen kehren die Ionen zurück zur Kathode und geben hierbei Energie ab.

Abb. 1: Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

Sofern mehrere Zellen zu einem Modul zusammengebaut werden, wird es üblicherweise mit einem Batteriemanagementsystem versehen. Dieses Batteriemanagementsystem steuert Kapazität, Energie und Leistung des Akkus. Bei einer längeren Lagerung eines Lithium-Ionen-Akkus verhindert es auch eine Tiefentladung, was wiederum eine verlängerte Lebensdauer des Akkus mit sich bringt.

2.1 Leistungsspektrum

Lithium-Ionen-Akkus und Batterien gibt es in völlig unterschiedlichen Größen und Leistungen. Die kleinsten Batterien und Akkus werden im unteren Leistungsspektrum verwendet. Hierzu gehören beispielsweise

• mobile Kommunikationsgeräte, wie Smartphones, Tablets, Notebooks usw.,
• Multimedia-Geräte, wie Kameras, mobile Bluetooth-Geräte (Kopfhörer, Lautsprecher…).

Aber auch kabellose Steuerungstechnik oder Notbeleuchtungen sind dem unteren Leistungsspektrum zuzuordnen, die sich der Lithium-Ionen-Technologie bedienen.

Zum mittleren Leistungsspektrum zählen E-Bikes, Kleinfahrzeuge, Rollstühle, Gartengeräte (Rasenmäher, Sägen etc.) sowie leistungsstarke Elektrowerkzeuge, die heutzutage schon in vielen Haushalten zu finden sind.

Zum oberen Leistungsspektrum der Akkutechnik gehören Fahrzeuge, wie Elektro- und Hybrid-Pkw, Hybrid-Busse, -Bahnen und Lkw oder Flurförderzeuge. Weitere akkubetriebene Anlagen, beispielsweise Solarstromspeicher und Notstromgeneratoren, runden das obere Leistungssp...