Handys, E-Bikes, Elektroautos oder Akku-Rasenmäher kommen kaum noch ohne Lithium-Ionen-Akkus aus, da sie viel Energie speichern und auch schnell wieder abgeben können. Allerdings können diese Akkus brandgefährlich sein. Das hängt mit der Funktionsweise und dem Aufbau von Lithium-Ionen-Akkus zusammen:
Aufbau von Lithium-Ionen-Akkus
Akkus und Batterien bestehen in der Regel aus mehreren Zellen, die – je nach ihrer Funktion – parallel oder in Reihe geschaltet sein können. Die einzelnen Zellen von Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus folgenden Komponenten:
- Ein Gehäuse, das den Akku vor äußeren Einflüssen und die Umgebung vor dem Austritt von Chemikalien schützt.
- Ein Elektrolyt, der die Bewegung von Lithium-Ionen ermöglicht. Dieser kann eine wasserlose Flüssigkeit oder ein Polymer sein.
- Die Kathode (Pluspol) hat auf den Leiterbahnen (z.B. aus Aluminium) eine Struktur aus Metalloxiden oder Eisenphosphat. Häufig verwendete Metalle für die Oxide sind dabei Cobalt, Nickel, Mangan oder Mischungen daraus.
- Die Anode (Minuspol) hat auf den Leiterbahnen (z.B. aus Kupfer) eine Struktur aus Graphit (Kohlenstoff).
- Der Separator trennt Kathode und Anode voneinander und verhindert einen Kurzschluss, indem er keine Elektronen durchlässt. Für positiv geladene Lithium-Ionen ist er dagegen durchlässig.
- Das Lithium ist in Form von positiv geladenen Lithium-Ionen entweder in der Kathode oder der Anode chemisch gebunden oder es „schwimmt“ im Polymer.
Größere Akkus verfügen außerdem über ein elektronisches Akku-Management, das sowohl eine Tiefenentladung als auch ein Überladen verhindern soll.
Funktionsweise von Lithium-Ionen-Akkus
Beim Aufladen des Akkus treibt das Ladegerät die Elektronen von der Kathode zur Anode. Der Ausgleich dieser Ladungen erfolgt dadurch, dass die Lithium-Ionen mit großem Energieaufwand aus dem Metalloxid bzw. Eisenphosphat gelöst werden. Diese wandern anschließend im Elektrolyt durch den Separator und lagern sich dann im Kohlenstoff ein. Dadurch wird der Elektronenüberschuss auf der Anode weitgehend neutralisiert.
Da die Lithium-Ionen aber zum Material der Kathode eine stärkere Affinität haben als zum Kohlenstoff der Anode, haben sie die Tendenz, wieder dorthin zurück zu wandern. In größerer Menge ist dies allerdings nur möglich, wenn ein Verbraucher angeschlossen und so der Stromkreis geschlossen wird. Dann bewegen sich die Lithium-Ionen über das Polymer zurück zur Kathode. Zum Ladungsausgleich fließen Elektronen über den Stromkreis von der Anode zur Kathode und geben dabei im Verbraucher elektrische Energie ab.
Wird der Separator beschädigt – z. B. durch eine mechanische Belastung – kann es zu einem Kurzschluss kommen. In diesem Fall wird die im Akku gespeicherte Energie sehr schnell in Form von Hitze freigesetzt. In vielen Lithium-Ionen-Akkus führt starke Hitze zu einer Zersetzung der Materialien, sodass u.a. Sauerstoff frei wird, der dann mit dem Graphit oder dem Polymer verbrennt. Man spricht dann von „Thermischem Durchgehen“.
Da bei kalten Temperaturen die Bewegung der Lithium-Ionen durch den (zäheren) Elektrolyt schwieriger ist, haben Akkus im Winter weniger Leistungsfähigkeit und eine geringere Kapazität. Außerdem dauert das Laden länger und es kann leichter zu Bränden führen.
Unterschied zu Lithium-Metall-Batterien
Die Strukturen von Kathode und Anode bleiben beim Laden und Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus weitgehend erhalten, da nur die eingelagerten Lithium-Ionen bewegt werden. Bei Lithium-Metall-Batterien dagegen bestehen die Strukturen der Anode aus metallischem Lithium. Dieses spaltet sich nach Schließen des Stromkreises in Lithium-Ionen und Elektronen auf. Die Struktur der Anode wird dabei irreversibel zerstört, sodass Lithiumbatterien (z.B. Knopfzellen) nicht wiederaufladbar sind. Durch die Verwendung von elementarem Lithium ist die Brandgefahr sogar noch höher als bei Akkus.
Sowohl Lithium-Ionen-Akkus als auch Lithiumbatterien stellen eine latente Brandgefahr dar und sind im Brandfall kaum zu löschen. Das gilt insbesondere, wenn die Zellen beschädigt wurden oder beim unsachgemäßen Aufladen. RETRON bietet daher feuerfeste Boxen für Akkus an, die für Lagerung, Transport, Entsorgung und Aufladen genutzt werden können.
