Bei falscher Verwendung von Lithium-Akkus besteht die Gefahr, dass die Zellen explodieren und Feuer fangen. Es hat in der Vergangenheit bereits einige Unfälle gegeben, bei denen PKW’s, Garagen oder auch Häuser ausgebrannt sind. Alle bisher öffentlich bekannt gewordenen Unfälle konnten auf unsachgemäße Handhabung zurückgeführt werden – von allein wird ein Akku nicht zu einer Gefahr. Ursachen für die Unfälle war meistens starke Überladung durch falsche Ladereinstellungen, Überhitzung im Betrieb oder aber auch Defekte nachdem die Zellen zuvor mechanisch beschädigt wurden, z.B. bei einem Crash. Es kann durchaus 30min dauern, bis eine Reaktion auftritt! Die Lithium-Akku-Technologie ist aber als sicher zu betrachten, wenn einige Hinweise berücksichtigt werden. Niemand macht sich Gedanken, dass sein Handy-, Notebook- oder Kamera-Akkus auf dieser Technologie basiert. Dies ist möglich, weil die Akkus zum einen mechanisch geschützt sind, zum anderen weil die Hersteller Sicherheitsschaltungen in die Lader eingebaut haben.
Technisch wird im Moment grob zwischen 3 Arten von Lithium-Akkus unterschieden.
· LiIon – Lithuim-Ionen: dies sind Akkus, die vornehmlich in Notebooks etc. benutzt werden. Sie sind meistens in zylindrischer Bauform im Metallgehäuse erhältlich und besitzen meistens eine Ladeschlussspannung von 4.1V und eine Nennspannung von 3.6V. LiIon-Zellen sind idR für weniger hohe Ströme ausgelegt.
· LiPo – Lithuim-Polymer: dies sind Akkus, die im Prinzip eine zu LiIon-Akkus sehr ähnliche Chemie besitzen aber aus beschichteten Folien aus Kupfer und Aluminium, mit einer Polymerfolie dazwischen, aufgebaut sind. Dadurch wird die Bauform relativ beliebig – interessant sind im Moment Zellen in „Tütenform“ – flache, rechteckige Akkus in Kunststofffolie. Eigentlich alle im Moment verfügbaren Zellen weisen eine Ladeschlussspannung von 4.2V und Nennspannung von 3.7V auf.
· LiFePO4 – Lithium-Eisen-Phosphat: diese Akkus haben hauptsächlich Bekanntheit durch den amerikanischen Hersteller A123Systems erlangt, der zum einen die Technik durch Verwendung von Nanotechnologie überhaupt für Hochstromanwendungen verwendbar machte, zum anderen sie durch den Einsatz in Akkuschraubern bekannt werden ließ. Diese Zellen besitzen eine Ladeschlussspannung von 3.6V, die Nennspannung ist mit 3.2-3.3V angegeben (je nach Quelle). Unter Sicherheitsgesichtspunkten ist noch wichtig zu wissen, dass die Polymerfolie mit einer gewissen Menge Elektrolyt getränkt ist – ein Elektrolyt, welcher Alkohole enthält, leicht süßlich riecht und welcher ab ca. 85-90°C zu sieden beginnt.
Folgende Hinweise sind von den Benutzern zu berücksichtigen:
· LiPo-Akkus sind in geeigneten Behältnissen zu transportieren und zu lagern. Dies kann entweder ein Metallkoffer oder ein sog. LiPo-Bag sein.
· LiPo-Akkus dürfen weder überladen noch tiefentladen werden. Die Zellen müssen in einem Fenster von 3.300V-4.230V Leerlaufspannung betrieben werden.
· Die Lagerung der LiPo-Zellen sollte in 1/10- bis 1/2- vollem Zustand erfolgen, dies entspricht einer Leerlaufspannung von ca. 3.5V - 3.8V. So ergibt sich maximale Lebensdauer.
· Es sind ausschließlich für LiPo-Akkus geeignete Lader zu verwenden (CC/CV-Ladeverfahren mit 4.200V Ladeschlußspannung). Die max. vom Hersteller spezifizierte Laderate ist einzuhalten.
· Für Lader, welche die Zellenzahl nicht automatisch erkennen, ist die korrekte Zellenzahl einzustellen und vor jedem Ladevorgang zu prüfen! Falsche Ladereinstellungen bergen das größte Gefahrenpotenzial, daher ist hier besondere Vorsicht geboten!!
· Es wird daher dringend empfohlen Lader mit integrierten Balancern oder externe Balancer mit Ladeunterbrechungsfunkion zu verwenden. Im Fall eines Defekts einer Zelle kann nur so sicher der Ladevorgang bei Überschreiten der Ladeschlussspannung unterbrochen werden. Anhand der Balancer-Anschlüsse kann der Balancer oder der Lader die korrekte Anzahl an Zellen erkennen.
· LiPo-Akkus verändern ihren Innenwiderstand recht deutlich mit der Temperatur, da die Ionenleitfähigkeit des Polymers mit der Temperatur ansteigt. Für Hochstromanwendungen ist eine Mindesttemperatur von ca. 25-30°C ratsam. Darunter besteht die Gefahr, dass die Zellen beschädigt werden und aufblähen.
· Wie oben erwähnt besteht der Elektrolyt in LiPo- und LiFePO4-Akkus z.T. aus Alkoholen. Wenn die Zellen also zu heiß werden, dann wird der Elektrolyt gasförmig und die Zellen blähen auf. Dieser Prozess ist nicht oder nur sehr bedingt reversibel. Die Zellen müssen daher in dem vom Hersteller angegeben Temperaturfenster betrieben werden! Üblicherweise ist eine Maximaltemperatur von 60°C angegeben.
· Eine Tiefentladung, auch einmalig, schädigt LiPo-Zellen dauerhaft. Es kann in späteren Ladezyklen dazu führen, dass die Zellen aufblähen. Die Hersteller geben einen Betrieb bis 3.0V-2.8V an. Um sicher zu gehen, haben wie die erste Grenze auf 3.3V gelegt. Je nach Hersteller sind die Zellen unter ca. 3.5V quasi leer.
· Um auch die einzelnen Zellen vor Tiefentladung zu schützen, empfiehlt sich dringend ein Regler mit eingebautem Tiefenladeschutz für Einzelzellen (z.B.: Schulze Value-Reihe) oder die Verwendung von Einzelzellenüberwachungen (z.B. Cellshield oder Schulze LiPoDimatic).
· Einmal aufgeblähte Akkus sind defekt und könnten, falls sie weiter benutzt würden, zu Verpuffungen führen. Daher sind sie nicht weiter zu verwenden.
· Sollte, aus welchem Grund auch immer, eine Zelle verpuffen oder zu brennen beginnen, dann diese mit Sand, Wasser oder einem Feuerlöscher löschen.
· Aufgeblähte oder beschädigte Zellen sind fachgerecht zu entsorgen. Entsprechend der Gesetzeslage empfiehlt sich natürlich die Entsorgung bei der örtlichen Entsorgungsstelle für Batterien bzw. über den Fachhandel.
Tipps zur Handhabung von Li-Zellen:
· Voll geladene Li-Zellen (>4V Leerlaufspannung) unterliegen einer erhöhten Alterung, die zu dauerhaftem Kapazitätsverlust und dauerhafter Zunahme des Innenwiderstands führt. Li-Akkus sollten daher schon aus diesem Grund keinesfalls voll gelagert werden, maximal halb voll, eher weniger. Aber auch keinesfalls völlig leer (<3V Leerlaufspannung), weil dies die Zellen ebenfalls schädigt.
· Auch bei Li-Zellen gibt es einen von Ni-Zellen bekannten Effekt – eine vor längerer Zeit eingebrachte (Teil-)Ladung besitzt eine reduzierte „Stromabgabewilligkeit“. Es kommt zu einer temporären Erhöhung des Innenwiderstands für diesen Teil der Ladung. Solche Zellen sind also weniger belastbar, sie liefern weniger Spannung und sie können gar unter hoher Last aufblähen. Und das unter Lasten, die sie frisch geladen problemlos verkraften würden. Bei halbvoll gelagerten und dann nur nachgeladenen Zellen ist dieser Effekt auch deutlich feststellbar – ab der Menge der nachgeladenen Kapazität bricht die Spannung merklich ein. Ladungen (auch Teilladungen) sollten daher nach einer längeren Lagerung (länger als einige Tage) vor einer erneuten Ladung und anschließenden Benutzung vorher mit moderaten Strömen entladen werden.
· Wie bereits weiter oben erwähnt, reagieren Li-Zellen auf Temperatur: der Innenwiderstand sinkt bei steigender Temperatur, ein Minimum wird bei ca. 60°C erreicht. Allerdings hat erhöhte Temperatur auch negative Nebeneffekte: die Alterung der Zellen beschleunigt sich deutlich. Für lange (mehrere Stunden) unter erhöhter Temperatur voll gelagerte Zellen beschleunigt dies zum einen den dauerhaften Kapazitätsverlust, zum anderen aber auch die temporäre Erhöhung des Innenwiderstands. Solche Zellen sind dann also trotz Temperatur weniger belastbar, sie reagieren
wieder vergleichbar zu kalten Zellen: weniger Spannung und sie können gar unter zu hoher Last aufblähen.
Wie alle chemischen Akkus sollten also auch Li-Zellen nicht zu lange vor der Benutzung geladen werden und auch erst möglichst kurz davor „auf Temperatur“ gebracht werden und auch möglichst kurz auf Temperatur verbleiben. Keinesfalls sollten sie in Thermokoffern stundenlang „garen“!
· Als Umkehrschluss sollten Li-Zellen (wie alle anderen chemischen Akkus auch) sicherlich am besten im Kühlschrank oder in einem kalten Keller lagern bzw. überwintern.
Über LiPo-Zellen und deren Gefahren:
Es herrscht eine gewisse Unwissenheit über die Gefahren von Li-basierten Akkus und deren Ursachen. Mangels Wissen darüber kommt es zum einen zu Gefahrsituationen, zum anderen zu Fehleinschätzungen und ggf. Überreaktionen bzgl. der möglichen Gefahren. Um die Gefahr zu
verstehen, muss man den Aufbau der LiPo- Zellen kennen. Wie schon weiter oben beschrieben, bestehen LiPo-Zellen aus vielen, abwechselnd übereinander gelegten und beidseitig beschichteten Folien aus dünnem Kupfer und Aluminium. Zwischen den einzelnen Schichten befindet sich als Separator eine spezielle Kunststofffolie (Polymerfolie), welche die
Schichten auf der einen Seite elektrisch isoliert, auf der anderen Seite aber durchlässig für Lithium-Ionen ist.
Die Kupfer- und Aluminiumfolien dienen dabei rein als Ableiter und Trägermaterial. Sie sind nicht an der chemischen Reaktion beteiligt. Der chemisch reaktive Teil im Akku ist eine hauchdünne, schwarzgraue Beschichtung der Folien. Als Anode wird derzeit meistens eine Gitterstruktur aus Graphit verwendet, die Lithium-Ionen aufnehmen kann. Als Kathode kommen Lithium-Oxide auf Kobalt, Nickel und Mangan bzw. Mischformen daraus zum Einsatz. Der Prozess des chemischen Energiespeichers beruht darauf, dass zwischen Anode und Kathode Lithium-Ionen ausgetauscht werden. Die Ionen diffundieren durch die Polymerfolie, was thermisch neutral erfolgt. Um eine Ionen-Leitfähigkeit herzustellen ist die Polymerfolie mit einem Lösungsmittel auf Alkoholbasis getränkt, welches leicht süßlich riecht. Außen ist der Stapel aus Folien mit einer luftdicht abschließenden Kunststofffolie umhüllt. Brennbar in den Zellen ist zum einen der Elektrolyt (Alkohol), zum anderen die Kunststoffanteile, sprich die Polymerfolie und die Kunststoffhülle. Ab sehr hohen Temperaturen kann auch die Beschichtung
selbst brennen (thermal runaway).
· Wenn eine LiPo-Zelle zu brennen beginnt, dann geschieht dies fast ausschließlich durch einen inneren Kurzschluss einer geladenen Zelle oder eines Packs, meist verursacht durch eine äußere, mechanische Beschädigung. Durch den Kurzschluss erhöht sich die Temperatur in der Zelle. Wenn diese Temperatur ca. 90°C übersteigt wird das Lösungsmittel gasförmig und bläht die Zelle auf, ggf. kann sogar die trennenden Polymerfolie zwischen den Kupfer- und Aluminiumfolien schmelzen, was zu weiteren Kurzschlüssen führen kann. Durch einen Funken des Kurzschluss kann das Lösungsmittel zu brennen beginnen und dies kann anschließend den Kunststoff der Ummantelung und die isolierende Polymerfolie entzünden.
Die Feuergefahr geht also nicht von der elektrochemischen Reaktion an sich aus. Die Gefahr beruht auf der Möglichkeit, dass eine starke Entladung (Kurzschluss) zu einer Überhitzung der Zellen führt, die dann als Folge die brennbaren Bestandteile entzündet. Auch schon aus diesem Grund sollten LiPo-Zellen nicht voll gelagert oder transportiert werden, denn relativ leere Zellen beinhalten nicht genügend elektrische Energie um im Falle eines Kurzschlusses die Zelle bis zur Brandgefahr zu erhitzen. Dies ist auch der Grund, warum defekte Zellen vor der Entsorgung tiefentladen werden sollen.
· Metallisches Lithium, welches bekanntlich bei Berührung mit Wasser brennt, ist - wenn überhaupt - nur in geringen Mengen in den Li-Zellen vorhanden. Der typische Gesamtgehalt an Lithium beträgt ca. 1.5g/5000mAh-Zelle, wobei dieses Lithium normalerweise komplett als Lithium-Ionen vorliegt. Diese Ionen sind bzgl. einer Reaktion mit Wasser neutral. Metallisches, mit Wasser reagierendes Lithium kann sich allerdings bei der Spannungsüberladung absetzen (Spannungen >4.2V). Es sind dann aber relativ kleine Mengen, die erst bei massiver oder andauernder Überladung zu einer Selbstentzündung bei Kontakt mit Wasser oder Feuchtigkeit führen. Aus diesem Grund ist die Einhaltung der max. Ladespannung wichtig.
· Eine brennende LiPo-Zelle ist nicht mit einem Metallbrand (Brandklasse D, z.B. Magnesiumbrand) zu verwechseln. Wenn eine LiPo-Zelle brennt, dann brennt zuerst das Lösungsmittel auf alkoholischer Basis (Brandklasse B oder ggf. C) und später der Kunststoff der Umhüllung bzw. die
Polymerfolie (Brandklasse A). Hier sind dann die entsprechenden Vorsichtsmaßnahmen für Kunststoffbrände (giftige Gase, etc.) zu beachten und die Methoden zur Löschung solcher Brände zu verwenden.
· Sollte ein Li-Akkupack in einer brennbaren Umgebung brennen (Boot, Auto, Zelt, Keller,...) oder ggf. sogar bereits mehr als nur der Akkupack selbst brennen, dann sollten die evtl. vorhandenen geringen Mengen an metallischem Lithium auf keinen Fall davor abschrecken, den Brand mit Wasser oder Schaum-Feuerlöschern zu löschen. Je früher gelöscht wird, umso besser. Natürlich hat dies immer mit der entsprechenden Vorsicht zu erfolgen.
