Lithium-Ionen Zellen - Herzstück der Elektromobilität

Ohne Akkus ist unsere moderne und mobile Welt nicht mehr denkbar, Lithium-Akkus zählen aktuell zu den wichtigsten Energiespeichermedien. Weltweit werden jährlich über 5 Milliarden elektrische Energiespeicherzellen verkauft. Die Beliebtheit dieser Technologie gründet auf der Tatsache, daß auf Lithium-Technologie basierende Akkus pro Gewichtseinheit drei mal mehr elektrische Energie speichern können als noch vor 25 Jahren und dabei sogar um den Kostenfaktor 10 günstiger sind.

Haltbarkeit, Lebenszeit und Verschleißprozesse von Lithium-Akkus

Eine pauschale Prognose über die Lebensdauer ist nicht möglich, da diese von zahlreichen Faktoren abhängt. Ein guter Vergleich lässt sich daher mit Lebewesen ziehen: Ab Geburt altern sowohl Lebewesen als auch Akkus auf "natürlichem" Wege. Die Kapazität einer Batterie nimmt ab dem Herstellungsdatum kontinuierlich ab, je höher die Beanspruchung und je intensiver Umwelteinflüsse wie z.B. Hitze, Kälte, zu lange Zeitintervalle zwischen Lade- und Entladeperioden, Tiefentladungen und zu langes lagern im entladenen Zustand einwirken, um so geringer ist die Gesamtlebenserwartung. Bei allen Angaben zur Lebensdauer ist zu beachten, dass diese nicht in ausschließlich Jahren, sondern schwerpunktmäßig in Lade- und Entladezyklen angegeben wird.

Unter der Lebensdauer versteht man daher den Zeitraum bis zum Erreichen von 80% der Anzahl der angegebenen maximalen Ladezyklenzahl. Ein Lithiumakku ist nach Erreichen dieser Marke jedoch nicht zwangsläufig defekt, verfügt dann jedoch lediglich noch über weniger als 80% seiner Kapazität.

Aufbau einer zylindrisch gewickelten Lithium-Ionen Zelle (vereinfacht)

Lithium-Ionen Zellen können unterschiedliche Bauformen aufweisen. Diese lassen sich in zylindrische Zellen, prismatische Zellen und sog. Pouch-Zellen einteilen. Die zylindrische Zelle stellt aktuell die am weitesten verbreitete Bauform dar. Hierbei wird ein Paket aus einzelnen Zellkomponenten in der Anordnung "Anode-Separator-Kathode-Separator" übereinander geschichtet und aufgewickelt.

Das gewickelte Paket wird anschließend in ein vernickeltes Stahlgehäuse eingesetzt, die Kathode ist über eine Kontaktierung mit dem Verschluss verschweißt. Die Anode besteht in der Regel aus einer Kupferfolie, welche beidseitig mit Anodenaktivmaterial beschichtet ist und ebenfalls über ein Kontaktfähnchen mit dem Pluspol-Deckel verbunden ist. Das gesamte Zellgehäuse ist mit Elektrolyt gefüllt und hermetisch verschweißt. Als Anodenaktivmaterial finden z.B. Graphit oder Lithium-Titanat Verwendung. Als Separatorenmaterial finden diverse Kunstsoffe wie z.B. poröse Polyethylenfolien Verwendung. Separatoren fungieren als elektrische Isolierung zwischen Anode und Kathode, sind jedoch für Elektronen und Ionen durchlässig. Die Vorteile der zylindrischen Zellbauform sind die hohe mechanische Stabilität, niedrige Herstellungskosten, Ermöglichung effektiver Sicherheitsmechanismen und eine gute Kontaktierbarkeit. Hingegen ergeben sich aufgrund dieser Bauform gewisse Nachteile hinsichtlich der Wärmeabfuhr. Diesen Effekt sollte eine hochwertige Schutzbeschaltung (BMS = Battery Management System) für den gesamten Zellverbund regeln.

Sicherheitsmechanismen - Funktionen der elektronischen Schutzbeschaltung (Batterymanagementsystem) BMS und inhärente Sicherheit

Eine Lithium-Batterie stellt ein komplexes Konstrukt dar. Hinsichtlich der Produktsicherheit ist eine stufenweise Absicherung realisiert:

• Auf Zellebene: Der Positive Temperature Coefficient (PTC): Dieser beschränkt den maximal fließenden Strom. Die Verschaltung ist derart angelegt, daß der Strom innerhalb der Zelle über den (PTC) fließen muss. Bei zunehmender Erwärmung leitet dieser den Strom immer schlechter. Als typisches Bimetall wird hierfür meist Wismut verwendet. Fließt ein zu hoher Strom, etwa bedingt durch Kurzschluss, so wird der Stromfluss durch den Anstieg des Wismut-Widerstandes begrenzt, um einer kritischen Temperaturentwicklung in der Zelle entgegen zu wirken. Ein weiteres Sicherheitselement ist das Current Interrupt Device (CID): Bei einer Überladung entsteht Gas innerhalb der Zelle, welches den Druck erhöht. Bei Überdruck wird das Sicherheitsventil verformt und somit der Kathodenkontakt (=Stromfluss) unterbrochen. Weder kann die Zelle dann Strom abgeben, noch Ladestrom aufnehmen.
• Auf Batteriepack-Ebene: Das Gehäuse sollte stabil und feuerfest sein. Die einzelnen Zellen sind idealerweise in "Köchern" luftumflutet fixiert und nicht wie in Billig-Akkus mit einem Schrupfschlauch zusammengeballt. Die integrierte elektronische Zellschutzbeschaltung verhindert übermäßige Temperaturentwicklung und erfüllt eine Vielzahl von primären und sekundären Sicherheits- / Kontrollfunktionen.
• Ladegerät: Der Ladevorgang stellt immer ein potentielles Sicherheitsrisiko dar, welches durch eine elektronische Ladekontrolle abgesichert werden sollte. Bei der bewährten CCCV-Ladetechnik wird in Phase 1 ein konstanter Ladestrom bereitgestellt. Wenn die Ladeschlussspannung erreicht ist, switcht das Ladegerät in die Constant-Voltage (CV) Phase. In dieser zweiten Phase wird die Spannung konstant gehalten, wobei dann der Ladestrom kontinuierlich absinkt, bis ein sogenanntes Cut-Off Kriterium erreicht ist und der Ladevorgang automatisch beendet wird.
• Auf BMS-Ebene: Schutz-/ und Sicherheitsfunktionen; Lade-/Entladeüberwachung; Zusatz-/Komfortfunktionen wie Zell-Balancing, Fuel-Gauging (Kapazitätsanzeige) und Update-Funktionen; Kommunikations- und Diagnosemöglichkeiten: Durch diese elektronischen Funktionen werden technisch-physikalische Grenzbereiche wie Überspannung, Unterspannung, Über-/Untertemperatur, Kurzschluss und Überstrom kontrollierbar und dokumentierbar. Über den gesamten Produktlebenszyklus wird somit eine optimale Funktionsweise und Kapazitätsbereitstellung gewährleistet.

Gefahrgut - Umgang mit Lithium-Ionenakkus

Lithium ist das erste Alkalimetall im "Periodensystem der Elemente" und kommt in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität nicht elementar vor. Akkus auf Basis dieses sehr reaktionsfreudigen Elements zählen daher zu Gefahrgut der Klasse 9 und bedürfen insbesondere bei Transport und Versand einer besonderen Kennzeichnung. Zudem erfordert die Verpackung von Li-Ion Akkus eine definierte Qualität und eine gesetzlich geregelte Beschaffenheit. Bei der Lagerung sowie im Umgang mit Lithium-Ionenakkus sind ebenfalls bestimmte Sicherheitsrichtlinien zu beachten:

Unbeschädigte Lithium-Ionenakkus stellen in der Regel keine Gefahr dar. Eine Beschädigung der Lithium-Akkus muß jedoch nachhaltig vermieden werden, da auslaufendes Elektrolyt reizend/ätzend ist. Das als Leitsalz enthaltene Lithiumhexafluorphosphat kann sich bei hohen Temperaturen zersetzen und reagiert mit Wasser zu hochgiftiger Flusssäure.

Beschädigte Batterien sind grundsätzlich nicht weiter zu verwenden und ausschließlich mit entsprechender Schutzkleidung zu berühren. Trotz allem stellen Lithium-Akkus vorbehaltlich einer ordnungsgemäßen Handhabung ein sicheres Produkt dar. Grundlage hierfür ist insbesondere eine sorgfältige Brandprävention:

• Das Öffnen, Zerlegen oder Zerkleinern von Li-Ion Akkus vermeiden
• Lithium-Ionen-Akkus dürfen nur von unterwiesenem und speziell geschulten Personal geöffnet werden
• Kurzschlüsse vermeiden
• Hohe Temperaturen vermeiden
• Mechanische Beschädigung vermeiden
• Ausschließliche Verwendung unbeschädigter Akkus
• Stets Herstellerhinweise beachten
• Aufladen bei Minusgraden vermeiden

Lagerempfehlungen für Lithium-Ionenakkus

• kühl lagern - Hier gilt die RGT-Regel: Unter der Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur(RGT)- Regel versteht man die gemessenen Umsatzraten bestehend aus der Zunahme / Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit aufgrund der Temperaturveränderung. In einem engen Temperaturbereich um 20°C würde eine Erhöhung um 10°C eine Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit (Oxidationsneigung von Anode/Kathode) bewirken. Eine Raumtemperatur von -10 bis +20°C kann als ausreichend angesehen werden.
• trocken lagern - Eine hohe Luftfeuchte kann zu Tröpfchenbildung und folglich zu Kurzschlüssen (Brandgefahr) führen. Ebenfalls erhöht sich die Korrosionsanfälligkeit.
• direkte Sonneneinstrahlung vermeiden - Gefahr der verminderten Lebenserwartung durch verstärkte Zersetzung des Elektrolyts.
• lange Lagerzeiten vermeiden - lange Lagerzeiten ohne zwischenzeitliche Lade-/Entladezyklen vermindern die Kapazität. Geringe Leckströme können zu Selbstentladung bis hin zur irreversiblen Tiefentladung führen.

Wann lohnt eine Instandsetzung bzw. ein Zellentausch?

Zumeist erscheinen E-Bike oder Powertool-Akkus nach geraumer Nutzungsdauer äußerlich noch intakt, jedoch lässt die abrufbare Kapazität nach vielen hundert Lade-/Entladezyklen bzw. nach 4-5 Jahren kalendarischer Alterung deutlich nach. Sofern der Akku jederzeit gemäß der Herstellerempfehlungen gehandhabt wurde, das korrekte Ladegerät verwendet wurde, bisher keine Kurzschlüsse oder thermische Schäden aufgetreten sind, kann die Bestückung mit neuen Zellen eine kostengünstige Alternative zum Neukauf sein. Inwieweit der Akku für eine Neubestückung geeignet ist hängt von Alter, Zustand und Bauart ab. Das interne Batterymanagementsystem sollte unbeschädigt sein, ebenfalls die Kontaktierungen/Ladebuchsen sowie das Gehäuse. Bei der Durchführung von Akku-Instandsetzungen steht die Produktsicherheit an erster Stelle. Es werden daher grundsätzlich alle Zellen ausgetauscht und durch Originalzellen mit den identischen Spezifikationen ersetzt. Abschließend können wir über eine mögliche Instandsetzung erst entscheiden, wenn wir den betreffenden Akku vorliegen haben und einer eingehenden Prüfung unterzogen haben.