
Ein herkömmlicher Handy-Akku: Außen harmlos, innen gefährlich
Geschichte wiederholt sich:
Die jüngste Pannenserie bei der Boeing 787 "Dreamliner", der
weltweit Flugverbot erteilt wurde, weil binnen etwas über einer
Woche sich zwei
Li-Ion-
Akkus
an Bord unterschiedlicher 787-Flugzeuge (davon einmal während des Flugs)
selbst entzündeten, erinnert an die zahlreichen Berichte über
explodierende Handy- und Laptop-Akkus
aus der Anfangszeit der Verwendung von Li-Ion-Akkus in mobilen
Elektronik-Kleingeräten. Mit dem verstärkten Aufkommen von mit
Li-Ion-Batterien angetriebenen Elektroautos in den letzten Jahren
kamen dann auch Meldungen über sich selbst entzündende Auto-Akkus
hinzu. Prominentester Fall war ein Chevrolet Volt, der drei Wochen
nach einem Crashtest abbrannte, wobei die Batterie bei dem Crashtest
beschädigt worden war. Durch die Beschädigung trat Kühlmittel aus,
das in flüssiger
Form noch keinen Kurzschluss verursachte, sehr wohl aber, nachdem
es eingetrocknet und die nicht wässrigen Bestandteile des Kühlmittels
kristallisiert waren.
In Presseberichten wird es oft der hohen Reaktivität des
chemischen Elements Lithium zugeschrieben, dass Lithium-Ionen-Akkus
so brandgefährlich sind. Tatsache ist aber, dass Lithium in dem nach
ihm benannten Akkus kaum mehr als ein Spurenelement ist: In typischen
Li-Ion-Akkus sind gerade mal 3 Prozent Lithium enthalten, und nur
die Hälfte davon nimmt überhaupt an den chemischen Reaktionen beim
Laden und Entladen teil. Ein Großteil des Gewichts des Akkus machen
hingegen die positive und negative Elektrode aus. Diese dienen dazu,
das Lithium unter Kontrolle zu halten.
Beispielsweise entsteht beim Laden des Akkus hochreaktives metallisches
Lithium an der negativen Elektrode, doch wird dieses gleich von dem
Graphit der negativen Elektrode wie ein Schwamm aufgesaugt und so
deutlich entschärft.
Problem liegt in den Elektroden
Das Problem sind jedoch die Elektroden selber: Legt man diese
direkt aufeinander und erhöht die Temperatur etwas, beginnt sofort eine
heftige
chemische Reaktion. Die positive Elektrode enthält nämlich recht viel
Sauerstoff, der zum Teil nur schwach gebunden ist. Und die negative
Elektrode besteht aus fein strukturiertem Graphit, der mit Sauerstoff
hervorragend brennt. Dieser "thermal runaway" ist grundsätzlich schon
bei entladenen Lithium-Akkus möglich, im aufgeladenen Zustand passiert
er umso leichter: Denn je mehr Lithium-Ionen durch das Laden von der
positiven Elektrode entfernt werden, desto schwächer ist dort der
Sauerstoff gebunden. Zugleich steigert das in die negative Elektrode
eingelagerter Lithium deren Reaktionsfähigkeit.
Normalerweise verhindert ein Trenner zwischen den beiden
Elektroden, dass diese sich direkt berühren und die genannten
schädlichen chemischen Reaktionen ablaufen. Doch beim voll geladenen
Lithium-Ionen-Akku ist ein Teil des Sauerstoffs an der positiven
Elektrode schon so schwach gebunden, dass nur ein kleiner zusätzlicher
Anschub (etwa durch Erhöhung der Temperatur oder durch Überladen des
Akkus) reicht, um puren Sauerstoff freizusetzen. Wenn sich dieser
einen Weg zur anderen Seite bahnt, oder mit dem ebenfalls brennbaren
flüssigen Elektrolyten reagiert, dann nimmt das Unheil seinen Lauf.
Erstaunlich gute Sicherheitsbilanz
Nun ist es für Akkus nichts ungewöhnliches, dass beim Überladen
Sauerstoff entsteht. Schon so mancher Bleiakku wurde von einer
heftigen Knallgasexplosion zerrissen, weil beim Überladen nicht nur
Sauerstoff, sondern zugleich auch Wasserstoff entsteht. Jedoch wird
bei der Explosion nur solche Energie freigesetzt, die vorher während
des Überladens auch in den Bleiakku reingesteckt wurde. Und es bedarf
auch eines Zündfunken, damit überhaupt eine Explosion ausgelöst wird.
Bei Lithium-Ionen-Akkus reicht hingegen Überladung oder Überhitzung,
um das thermische Durchgehen auszulösen. Und in den Elektroden der
Lithium-Ionen-Akkus steckt zusätzliche Energie, die dabei freigesetzt
wird. Entsprechend steigt das Gefahrenpotenzial.
Angesichts der dargestellten Gefahrenlage verwundert fast schon,
wie selten Berichte über brennende Li-Ion-Akkus sind. Offensichtlich
haben die (relativ wenigen) Massenhersteller der Li-Ion-Zellen es
gelernt, die Parameter des Herstellungsprozesses so genau zu kontrollieren,
dass keine Zelle jenseits der zulässigen Toleranzen das Werk verlässt.
Hinzu kommen wahrscheinlich umfangreiche
Testprogramme, bei denen die Akkus den üblichen Belastungen des
Alltags (herunterfallen, quetschen, wiederholtes Laden und Entladen
etc.) ausgesetzt werden.
Spekulationen über die mögliche Entzündungsursache der Dreamliner-Akkus
lesen Sie auf der zweiten Seite.