Ist Lithiumion sicher?

Riesiger Rückruf von Akkus bereitet Sorgen
von Isidor Buchmann

Cadex Electronics Inc.
isidor.buchmann@cadex.com
www.buchmann.ca - www.BatteryUniversity.com
September 2006

Sony wusste von den potentiellen Sicherheitsrisiken, als die Firma 1991 den ersten Lithiumion-Akku auf den Markt brachte. Der Rückruf der bis dato verkauften wieder aufladbaren Akkus aus metallischem Lithium war eine Warnung, dass Vorsicht geboten ist, wenn es sich um Akkus hoher Energiedichte handelt.

Bereits 1912 begann G. N. Lewis mit den Pionierarbeiten auf den Lithium-Akku hin; die erste nicht wieder aufladbare Lithium-Batterie kam aber erst 1970 auf den Markt. In den achtziger Jahren wurde dann versucht, einen wieder aufladbaren Lithium-Akku zu entwickeln. Die frühen Modelle basierten noch auf metallischem Lithium mit sehr hoher Energiedichte.

Instabilitäten des Lithiummetalls, insbesondere während des Ladevorgangs, stellten diese Entwicklung in Frage. Die Zelle konnte thermisch durchgehen. Ihre Temperatur stieg dann schnell bis zum Schmelzpunkt des metallischen Lithium an, was zu gefährlichen Reaktionen führte. Eine große Menge nach Japan exportierter wieder aufladbarer Lithium-Akkus musste 1991 zurückgerufen werden, nachdem aus einem Handy heiße Gase austraten und das Gesicht eines Mannes leicht verletzte.

Wegen der Instabilität des Lithiummetalls konzentrierte sich die Forschung auf einen nichtmetallischen Lithium-Akku mit Lithiumionen. Zwar ist die Energiedichte des Lithiumion-Systems niedriger, doch wenn bestimmte Vorsichtsmaßnahmen beim Laden und Entladen berücksichtigt werden, besteht keine Gefahr. Lithiumion ist eine der erfolgreichsten und sichersten Akkuchemien, die heute verfügbar sind. Jährlich werden zwei Milliarden Zellen hergestellt.

Lithiumion hat gegenüber Nickel-Akkus die doppelte und gegenüber Blei-Säure-Akkus die vierfache Energie. Ein weiterer Vorteil von Lithiumion ist der geringe Wartungsaufwand gegenüber den meisten anderen Chemien. Es gibt keinen Memory-Effekt und der Akku benötigt kein regelmäßiges Entladen/Laden zur Erhaltung der Lebensdauer. Weiterhin hat Lithiumion nicht das Sulfatierungsproblem von Blei-Säure, wenn der Akku ohne regelmäßige Auffüllladung gelagert wird. Die Selbstentladung von Lithiumion ist gering und das System ist umweltfreundlich. Bei der Entsorgung ist die Umweltbelastung minimal.

Doch bei dem quantitativ großen Einsatz von Lithiumion in Handys, Digitalkameras und Laptops muss es auch Probleme geben. Eine Fehlerhäufigkeit von 1 zu 200.000 führte zu einem Rückruf von nahezu sechs Millionen Lithiumion-Packs von Dell- und Apple-Laptops. Durch Hitze ausgelöste Akkuausfälle werden ausgesprochen ernst genommen, und die Hersteller sind diesbezüglich sehr vorsichtig. Die Entscheidung, die Akkus auszutauschen, beruhigt die Verbraucher und zügelt den Ehrgeiz der Rechtsanwälte. Was steckt hinter dem Rückruf?

Laut Sony Energy Devices (Sony), dem Hersteller der fraglichen Lithiumion-Zellen, besteht die äußerst geringe Möglichkeit, dass Metallteilchen in Kontakt mit anderen Teilen der Akkuzelle kommen und einen Kurzschluss innerhalb der Zelle verursachen. Die Akkuhersteller geben sich alle Mühe, bei der Produktion die Präsenz von Metallteilchen auszuschließen, doch die komplexen Montageverfahren machen das Eliminieren des Metallstaubs fast unmöglich. Zellen hoher Energiedichte mit sehr dünnen Separatoren sind anfälliger gegenüber Verunreinigungen als ältere Bauarten niedriger Kapazität.

Ein kleiner Kurzschluss führt nur zu einer erhöhten Selbstendladung. Die Wärmeentwicklung ist gering, da die Entladungsenergie sehr gering ist. Wenn sich jedoch genügend viele mikroskopisch kleine Metallteilchen auf einer Stelle befinden, kommt es zu einem starken elektrischen Kurzschluss mit einem hohen Kurzschlussstrom zwischen der positiven und der negativen Platte. Die Temperatur steigt und es kommt zu einem thermischen Durchgehen, einem flammenden Gasaustritt.

Die Temperatur von Lithiumion-Zellen mit Kobaltkathoden (wie die der zurückgerufenen Laptopakkus) sollte nicht über 130 °C (265 °F) steigen. Bei 150 °C (302 °F) wird die Zelle thermisch instabil: ein Zustand, der zu einem thermischen Durchgehen führen kann, bei dem flammende Gase austreten.
Bei einem thermischen Durchgehen kann die fehlerhafte Zelle die benachbarte Zelle erhitzen, wodurch sie ebenfalls thermisch instabil wird. In einigen Fällen kann es jetzt zu einer Kettenreaktion kommen, bei der eine Zelle nach der anderen explodiert. Ein Pack kann innerhalb von wenigen Sekunden oder in mehreren Stunden zerstört werden. Um die Sicherheit der Zellen zu erhöhen, werden sie mit einer Dämmung ausgestattet, die verhindert, dass die Hitze sich ausbreiten kann.

Das Sicherheitsniveau von Lithiumion-Systemen

Man unterscheidet grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen Lithiumion-Chemien: Kobalt und Mangan (Spinell). Wegen der höheren Kapazität werden Handys, Digitalkameras und Laptops mit Lithiumion auf Kobaltbasis ausgestattet. Mangan, die neuere der zwei Chemien, bietet eine höhere thermische Stabilität. Die Zelle wird erst bei 250 °C (482 °F) instabil. Außerdem bringt Mangan einen sehr niedrigen Innenwiderstand mit sich, sodass bei Bedarf ein hoher Strom zur Verfügung steht. Darum werden diese Akkus immer häufiger für Elektrowerkzeuge und medizinische Geräte benutzt. Der Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen steht bevor.

Der Nachteil von Spinell ist die niedrige Energiedichte. Normalerweise bietet eine Zelle mit einer Kathode aus reinem Mangan nur etwa die Hälfte der Kapazität von Kobalt. Die Benutzer von Handys und Laptops wären nicht erfreut, wenn die Laufzeit ihrer Akkus halbiert würde. Statt weniger, verlangt der Verbraucher mehr gespeicherte Energie für die neuen Funktionen, die mehr Strom verbrauchen.

Die Hersteller von Lithiumion-Akkus bieten einen Kompromiss von hoher Energiedichte, Betriebssicherheit und hohem Stromangebot, indem sie verschiedene Kathodenmetalle verwenden. Typische Komponenten der Mischung sind Kobalt, Nickel, Mangan und Eisenphosphat. Lithiumion-Systeme sind noch nicht ausgereift, denn es scheint noch möglich, die Energiedichte weiterhin zu erhöhen. Bisher konnte diese bei Lithiumion jährlich um sage und schreibe 8-10% erhöht werden.
Ein Erhöhen der Energiedichte einer Zelle verstärkt die Sicherheitsbedenken, und es müssen geeignete Maßnahmen zur Erfüllung der Sicherheitsnorm UL 1642 getroffen werden. Während ältere 18650-Zellen mit 1,35 Ah einen Nageltest tolerieren konnten, würde eine Zelle mit 2,4 Ah zu einer Bombe werden, wenn sie so geprüft würde. UL 1642 fordert keinen Nageltest.

Akkusicherheit geht vor

Ich kann dem Leser versichern, dass Lithiumion-Akkus sicher und durch Überhitzung verursachte Ausfälle selten sind. Die Akkuhersteller erzielen diesen hohen Grad an Zuverlässigkeit durch drei weitere Schutzmaßnahmen. Diese sind: 1. Begrenzung der Menge aktiven Materials, sodass Energiedichte und Sicherheit optimal ausgewogen sind. 2. Integration verschiedener Sicherheitsmechanismen in die Zelle. 3. Integration eines elektronischen Schutzkreises in den Akkupack.

Diese Maßnahmen funktionieren folgendermaßen: Ein PTC-Widerstand verhindert hohe Stromspitzen, ein CID öffnet den Stromkreis, wenn eine hohe Spannung den internen Zellendruck auf 10 Bar (150 psi) ansteigen lässt, und ein Sicherheitsventil erlaubt das kontrollierte Ablassen von Gas, wenn der Zellendruck schnell ansteigt. Neben den mechanischen
Sicherheitseinrichtungen öffnet der externe elektronische Schutzkreis einen Halbleiterschalter, wenn die Ladespannung einer Zelle 4,30 V erreicht. Eine Sicherung unterbricht den Stromfluss, wenn die Temperatur der Außenhülle der Zelle gegen 90 °C (194 °F) steigt. Um ein zu hohes Entladen des Akkus zu verhindern, wird die Entladung unterbrochen, wenn die Spannung einer Zelle auf 2,5 V absinkt. Bei bestimmten Anwendungen ist wegen der höheren Sicherheit des Spinellsystems ein elektrischer Schutzkreis nicht notwendig. In diesen Fällen verlässt sich der Akku völlig auf die in die Zelle integrierten Schutzeinrichtungen.

Dabei ist zu beachten, dass diese Schutzeinrichtungen nur dann wirksam sind, wenn die Einwirkung von außen erfolgt, wie bei einem Kurzschluss oder einem defekten Ladegerät. Unter normalen Umständen schalted der Lithiumion-Akkus aus, wenn ein Kurzschluss auftritt. Wenn jedoch der Defekt innerhalb der elektrochemischen Zelle auftritt, wie bei einer Verschmutzung durch mikroskopisch kleine Metallteilchen, wird diese Anormalität nicht erkannt. Auch kann der Schutzkreis den Zerfall nicht aufhalten, wenn die Zelle thermisch durchgeht. Nichts kann es aufhalten, wenn es einmal ausgelöst ist.

Es ist besonders gefährlich, wenn eine statische Entladung oder ein defektes Ladegerät den Schutzkreis des Akkus zerstört hat. Bei solch einer Einwirkung können die Halbleiterschalter durchbrennen, sodass sie ständig leitend sind, als ob sie durchgeschaltet wären. Ein Akku mit einem defekten Schutzkreis kann ganz normal funktionieren, ist jedoch nicht mehr geschützt.

Ein weiteres Problem stellt das Laden bei niedriger Temperatur dar. Lithiumion-Akkus für den Normalverbraucher können unter 0 °C (32 °F) gar nicht geladen werden. Obwohl die Packs scheinbar normal geladen werden, wird die Anode beim Laden unter dem Gefrierpunkt mit metallischem Lithium überzogen. Dieser Überzug ist permanent und kann nicht entfernt werden. Wenn dieses öfter geschieht, kann solch ein Schaden die Sicherheit des Packs beeinträchtigen. Der Akku reagiert empfindlicher auf Stoß, Druck und hohe Ladeströme.

In Asien werden viele generische Ersatzakkus hergestellt, die wegen des niedrigen Preises gern von Handybesitzern gekauft werden. Viele dieser Akkus besitzen nicht das Sicherheitsniveau der Markenakkus. Man sollte darum ein wenig mehr ausgeben und den Akku mit einem empfohlenen Fabrikat ersetzen. Abbildung 1 zeigt ein Handy, das beim Aufladen in einem Auto zerstört wurde. Der Besitzer meint, dass das generische Pack Schuld sei.

Abbildung 1: Ein Handy mit einem generischen Akku, der beim Ladevorgang hinten im Auto ausgebrannt ist.

Um die Marktinfiltration gefährlicher Packs zu vermeiden, verkaufen die meisten Hersteller ihre Lithiumion-Zellen nur an zugelassene Montagebetriebe. Die Integration eines zugelassenen Schutzkreises ist eine Bedingung des Kaufvertrages. Dadurch ist es nicht leicht für einen Bastler, einzelne Lithiumion-Zellen im Einzelhandel zu bekommen. Der Bastler ist gezwungen, auf Nickel-Akkus zurückzugreifen. Ich kann die Benutzung von nicht identifizierbaren Lithiumion-Akkus aus Asien nicht empfehlen, sollten sie erhältlich sein.

Besondere Vorsicht ist bei großen Akkus wie z. B. für Laptops geboten. Gibt es Probleme, ist die Gefahr sehr viel größer als bei kleinen Handyakkus. Aus diesem Grund versehen viele Laptophersteller ihre Akkus mit einem Geheimcode, den nur der entsprechende Computer lesen kann. Hierdurch werden generische Akkus vom Markt ferngehalten. Der Nachteil ist, dass die Ersatzakkus teurer sind.
Die Leser von www.BatteryUniversity.com erkundigen sich oft nach einer Quelle für billige Laptopakkus. Ich muss sie enttäuschen, indem ich sie auf die Vertragshändler von Markenakkus verweise.

Fazit

Zieht man die Anzahl der im Gebrauch befindlichen Lithiumion-Akkus in Betracht, hat dieser Energiespeicher relativ wenig Sach- und Personenschäden verursacht. Trotzdem ist die Sicherheit dieses Akkutyps ein heißes Thema, das viel Beachtung in den Medien findet, selbst bei einer kleinen Panne. Für den Verbraucher ist das gut, da alles getan wird, die Sicherheit dieses beliebten Energiespeichers zu gewährleisten. Nach dem Rückruf der Akkus der Dell- und Apple-Laptops, werden die Hersteller der Akkuzellen sich nicht nur darauf konzentrieren, mehr Energie hineinzustecken, sondern sie werden auch versuchen, die Zellen noch sicherer zu machen.