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Akkus im Härtetest

Lithium-Ionen-Akku
Die Zelle eines Lithium-Ionen-Akku erinnert an eine klassische Batterie.

Es ist ein unscheinbarer Lithium-Ionen-Akku, den Werner Tillmetz vom Ulmer Zentrum für Solar- und Wasserstoffforschung (ZSW) in der Hand hält. Die kleine Zelle mit der Bezeichnung "18650" ähnelt einer klassischen Mignon-Batterie. Sechs bis acht davon bilden, in einer gekapselten Box, einen typischen Notebook-Akku. "Diese Batterie wird in Milliardenstückzahlen produziert. Aber auch hier ist es wichtig zu wissen, wo sind die Grenzen", sagt ZSW-Geschäftsführer Tillmetz und legt die Zelle in einen Thermoblock aus Aluminium. "Wir werden diese Batterie erhitzen und gucken, bei welcher Temperatur sie anfängt sich selbst zu zerstören."

Im Sicherheitslabor des ZSW prüfen Forscher Lithium-Ionen-Akkus auf Biegen und Brechen. Sie werden aufgrund ihrer hohen Speicherkapazität in immer mehr Bereichen eingesetzt. Doch gleichzeitig bergen sie auch immer höhere Risiken: "Je mehr Energie pro Volumen in so einer Batterie steckt, desto kritischer ist das natürlich mit der Sicherheit", sagt Tillmetz. Vor einigen Jahren häuften sich Meldungen über explodierende Akkus in Handys und Laptops. Und seit Wochen muss Boeings neuester Flugzeugtyp, der "Dreamliner", wegen Problemen mit den bordeigenen Lithium-Ionen-Akkus am Boden bleiben.

Zerquetscht, verschmort, durchbohrt

Der Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft warnt in einem Merkblatt über Lithium-Batterien vor "Selbstentzündung durch technische Defekte und heftige Brandereignisse in Verbindung mit einer sehr schnellen Brandausbreitung". Nicht umsonst finden alle Versuche im ZSW-Sicherheitslabor in explosionssicheren Bunkern statt. Hier werden die kleinen Energiespender wahlweise zerquetscht, verschmort oder durchbohrt.

Tillmetz schließt die schwere Stahltür und beobachtet den Versuch durch eine Panzerglasscheibe. Eine Hochgeschwindigkeitskamera zeichnet das Geschehen auf. Im Thermoblock steigt die Temperatur um zehn Grad pro Minute. Ohne besondere Vorkommnisse übersteht die 18650er-Zelle eine Temperatur von 150 Grad Celsius. "Die Anforderungen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) sind damit erfüllt", sagt Harry Döring, Leiter des ZSW-Sicherheitslabors. Will heißen: Im Normalbetrieb ist die Hitzebeständigkeit mehr als ausreichend.

Akku im Backofen

Aus einem Lithium-Ionen-Akku entweicht Gas
Im Härtetest entweichen aus einem Lithium-Ionen-Akku Gase.

Doch bei den "Abuse Tests" im ZSW gehen die Forscher zum Äußersten, um das Gefahrenpotenzial bei falscher Anwendung oder Unfall zu ermitteln. Der Versuch geht also weiter, die Forscher wollen wissen, wo die Grenzen der thermischen Belastbarkeit wirklich liegen. Wird eine Lithium-Zelle sehr heiß, schmilzt der Separator, welcher Plus- und Minuspol trennt - es kommt zu internen Kurzschlüssen. Dann wird es gefährlich.

Drei Minuten später, bei 180 Grad Celsius, fliegt der Deckel des Akkus mit einem metallischen "Plopp" davon. Aus der nun offenen Zelle steigt Rauch auf - der Elektrolyt verdampft. Einatmen sollte man die dabei frei werdenden Gase besser nicht: "Wir haben fluorhaltige Substanzen mit drin", sagt Döring, "es sind kritische Gase, die man über Atemschutz abfangen kann. Ansonsten sollte man sich möglichst weit davon entfernen."

Feuerwerk im Labor

"Das ist kein wässriges System, wie wir es von der Bleibatterie kennen, sondern das sind organische Verbindungen und die sind brennbar", bereitet Tillmetz das gleich folgende Szenario vor. Bei 213 Grad Celsius ist es so weit: Die Gase entzünden sich und die Zelle explodiert mit einem lauten Knall. Die Explosion ist so heftig, dass die Zelle wie ein Projektil aus dem Thermoblock herausgeschleudert wird. Sie zieht sogar einen Feuerschweif hinter sich her.

"Beim Laptop sind sechs oder acht Stück davon eingebaut", sagt Tillmetz, "da kann man sich vorstellen was passiert, wenn die sich alle zusammen entzünden würden". Und Kurzschlüsse können viele Ursachen haben, nicht nur übermäßige Hitze.

Je mehr Energie, desto höher das Risiko

Ein Dorn durchbohrt einen Akku
Nageltest: Wie sicher sind große Akkuzellen?

Zudem gibt es Einsatzorte für Akkus, die bergen noch ganz anderes Risiko-Potenzial: Elektroautos zum Beispiel benötigen für eine akzeptable Reichweite etwa 5.000 mal so viel Energie wie eine 18650er Laptop-Zelle bietet. Doch mit der steigen Anzahl der Akkus wachsen auch die Risiken.

Im nächsten Versuch muss daher eine große Lithium-Zelle für Elektromobile dran glauben. Döring trägt die zigarettenstangengroße, grüne Kiste in einen der Bunker und fixiert sie auf einem Stahltisch. Diese Zelle speichert mit 100 Amperestunden etwa 50 mal so viel Energie wie die 18650er. Sie wird für den "Nageltest" vorbereitet, bei dem die Forscher die Akku-Zelle mit einem spitzen Stahl-Dorn traktieren. Durch Panzerglas beobachten sie, wie dieser erst das Kunststoffgehäuse der Zelle und schließlich auch ihre "Innereien" durchbohrt.

Brennbare, giftige Gase

Der Dorn durchdringt den Separator, es kommt zu einem Kurzschluss. Wo Strom fließt, entsteht Wärme, Elektrolyt verdampft, aus der Zelle steigt Rauch auf. Könnte die entstehende Wärme die Durchbruchstelle vergrößern, wäre dies problematisch. Aus kleineren Funken könnte dann ein großes Feuer werden. Während die Spannung in der Zelle fällt, steigt sie bei den Forschern. "Temperatur 70 Grad", sagt Döring, "Tendenz steigend". Tillmetz schaut gebannt durch die Panzerglasscheibe. Material verdampft und - wie zuvor bei der kleinen Akkuzelle auch - breitet sich giftiger Rauch aus. Eine gefährliche Situation. "Kritisch wäre, wenn sich die Gase entzünden", sagt Tillmetz. "Das ist eine Herausforderung für die Zukunft, hier was zu finden, was nicht mehr brennbar ist. Da arbeiten wir auch dran, aber das ist langfristig. Heute ist fast alles, was man hat, brennbar."

Der Fehler beim Dreamliner

Doch diesmal steigt die Temperatur nicht über den kritischen Punkt, das thermische Durchgehen ("thermal runaway") bleibt aus. Der Akku übersteht den Versuch ohne Feuer oder Explosion. "Der wesentliche Grund warum hier so wenig passiert ist, liegt im Kathodenmaterial", erläutert Tillmetz, "das besteht aus Lithium-Eisenphosphat". Das sei bekannt dafür, dass es sehr sicher ist. "Wenn wir jetzt hier Kobaltoxid als Kathodenmaterial verwendet hätten, wie im Dreamliner, dann wäre dieser Versuch ganz anders ausgegangen", sagt der Elektrochemiker, "denn dieser Stoff neigt zur thermischen Zersetzung bei relativ geringen Temperaturen".

Die langen Entwicklungs- und Qualifikationszeiten im Flugzeugbau seien den Boeing-Ingenieuren zum Verhängnis geworden: "Vor zehn Jahren kannte man noch kein Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial", sagt Tillmetz, "da war Kobaltoxid das Material der Wahl". Doch nach wie vor sind Mischoxide mit Kobalt bei Lithium-Ionen-Batterien gebräuchlicher als Eisenphosphat. Denn Letzteres bietet eine deutlich geringere Energiedichte. Die ZSW-Forscher werden also noch viele Akkus foltern müssen, um den optimalen Kompromiss zwischen hoher Energiedichte und ausreichender Sicherheit zu finden.

Autor: Güven Purtul (NDR)

Stand: 03.12.2015 12:20 Uhr

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