Hochreaktiv

Editorial: Wenn der Akku brennt

Gefahren durch Lithium-Ionen-Technologie
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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.

Editorial: Wenn der Akku brenntEin herkömmlicher Handy-Akku: Außen harmlos, innen gefährlich 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.

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