Technologie ist heutzutage ein allgegenwärtiger Faktor in Sportstätten, viele Athleten tragen sogar elektronische Geräte am Körper. Da ist es naheliegend, dass die Frage nach Sicherheit und Schutz von Lithium-Ionen-Akkus gestellt wird. Batterien können durch mechanische Kräfte beschädigt werden. Eine Zerstörung von Lithium-Ionen-Zellen kann zu schweren Verletzungen der Anwender durch Hitze, Brand oder sogar Explosion führen. Um diese Gefahren zu reduzieren, statten Akkuhersteller ihre Produkte mit umfassenden Schutzvorrichtungen aus.
Geringes Gewicht und hohe Leistung machen Lithium-Ionen-Akkus zur Technologie der Wahl bei vielen Anwendungen von Elektrofahrzeugen bis hin zu Sport- und Fitnesstrackern. Lithium-Ionen-Akkus liefern hohe spezifische Energie und Leistung, die der Performance traditioneller Batterietechnologien weit überlegen ist.
Sicherheitsprobleme im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Technologie wurden der breiten Öffentlichkeit vor allem durch die Akkuprobleme bei Tesla-Elektrofahrzeugen und beim neuen Boeing-Flaggschiff 787 Dreamliner bekannt. Akkubrände während Dreamliner-Flügen führten dazu, dass weltweit alle Flugzeuge des Typs am Boden bleiben mussten. Boeing nahm dies zum Anlass, die bei der 787 eingesetzte Akkutechnologie einer umfassenden Überprüfung zu unterziehen. In der Öffentlichkeit lösten die Vorfälle eine allgemeine Diskussion zur Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus in Verbraucherelektronikgeräten aus. Dieser Akkutyp ist bei solchen Produkten sehr weit verbreitet und arbeitet innerhalb der empfohlenen Betriebsbedingungen sicher und zuverlässig. Die Boeing 787 konnte nach Änderungen am Lithium-Ionen-Akkusystem wieder abheben. Die Akkus sind mittlerweile in luftdichten Edelstahlgehäusen untergebracht und werden mithilfe eines Überdruckventils sowie einer durch die Druckkabine verlaufende Rohrleitung belüftet.
Akkus für Sport und Fitness können und müssen nicht über solch umfassende Sicherungsvorrichtungen verfügen wie das sehr robuste Akkusystem der 787. Dennoch arbeiten sie dank interner Schutzvorkehrungen und dem Einsatz spezieller Gehäuse sicher und zuverlässig – auch in Sport- und Fitnessgeräten, die hoher Beanspruchung ausgesetzt sind.
Aufbau der Lithium-Ionen-Zelle
Innerhalb der relativ einfach aufgebauten Lithium-Ionen-Zellen wandern Lithium-Ionen durch eine nicht wässrige Elektrolytlösung. Bei der Entladung erfolgt diese Ionenwanderung von den negativen zu den positiven Elektroden, bei der Aufladung in umgekehrter Richtung. Ein typischer 18650-Akku besteht aus der positiven Elektrodenplatte, einem Separator und der negativen Elektrodenplatte. Diese Struktur wird zu der bekannten „Jelly Roll“ aufgewickelt.
Abbildung 2: Ein typischer zylindrischer 18650-Akku besteht aus einer dreilagigen Lithium-Ionen-Zellstruktur, die zur charakteristischen „Jelly Roll“ aufgewickelt und in ein Schutzgehäuse eingesetzt wird.
(Quelle: Panasonic)
Lithium-Ionen-Einzelzellen oder Akkupacks mit mehreren Zellen arbeiten innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs (s. Abbildung 3). Im Normalbetrieb bleibt der Akku auch bei engem Kontakt mit dem menschlichen Körper innerhalb dieses sicheren Bereichs, sodass keine Gefahr für den Anwender besteht. Bereits wenige Grad oberhalb des optimalen Temperaturbereichs sind Lithium-Ionen-Zellen zwar weiterhin sicher, altern jedoch schneller und verlieren dadurch an Leistungsfähigkeit.
Abbildung 3: Lithium-Ionen-Zellen bieten optimale Leistung, wenn sie innerhalb eines engen Umgebungstemperaturbereichs verwendet werden und möglichst geringe Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Zellen eines Mehrzellenakkus bestehen. (Quelle: University of Oxford, Energy and Power Group)
Probleme treten auf, wenn Lithium-Ionen-Zellen durch Körperwärme, hohe Umgebungstemperaturen, Erwärmung durch Sonneneinstrahlung, geringe Luftzufuhr oder andere Faktoren eine zu hohe Temperatur erreichen. Oberhalb des Optimaltemperaturbereichs beschleunigen sich chemische Prozesse erheblich. Daraus können erhöhte Innentemperatur und erhöhter Druck entstehen, die zum so genannten thermischen Durchgehen führen.
Vermeidung des thermischen Durchgehens
Thermisches Durchgehen ist ein schrittweiser Prozess. Er beginnt mit einem Temperaturanstieg in einer Zelle aufgrund eines elektrischen Fehlers, mechanischer Einwirkung oder einer externen Wärmequelle (z. B. eine benachbarte Zelle, in der das thermische Durchgehen bereits weiter fortgeschritten ist). Der Temperaturanstieg löst chemische Interaktionen aus, die zu einem exothermen Zerfall von Zellenkomponenten führen und die Temperatur weiter steigen lassen. Im weiteren Verlauf zersetzen sich die Elektroden und geben dabei entzündliche Gase frei. Durch den Temperatur- und Druckanstieg in der Zelle wird der Separator zerstört. Die Zelle wird kurzgeschlossen und es entsteht zusätzlich Wärme. Durch verschiedene Zusammensetzungen von Akku-Chemikalien und Zellkonstruktionen kann die Schwelle für irreversible Zersetzung und thermisches Durchgehen erhöht werden. Trotz solcher Maßnahmen kann es aber letztlich zu Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius kommen (s. Abbildung 4). Tritt dies ein, wird der Akku komplett zerstört. Das Gehäuse reißt und der Akku gerät in der Regel durch die Reaktion der freigesetzten Gase mit dem Umgebungssauerstoff in Brand.
Abbildung 4: Bei Tests mit drei verschiedenen Typen von kommerziell erhältlichen Lithium-Ionen-Akkus (in der Abbildung mit den blauen, grünen und roten Linien dargestellt) zeigte sich, dass die Akkus gleichmäßige und damit vorhersagbare Spitzentemperaturen bei thermischem Durchgehen aufweisen. Die Schwellenwerte unterscheiden sich jedoch je nach Akkutyp und externer Temperatur (1 ggü. 2) oder aufgrund von Abweichungen zwischen mehreren Akkus desselben Typs. (Quelle: Royal Society of Chemistry)
Lithium-Ionen-Spannungsquellen verfügen über Schaltungen zum Management einzelner Zellen und zum Ladungsausgleich in Mehrzellen-Paketen. Zudem enthalten sie Komponenten zum Schutz vor Über- und Unterspannung, zu hohem Ladestrom und Übertemperatur. Neben integriertem elektronischem Schutz sind in Lithium-Ionen-Akkus verschiedene mechanische Sicherheitsvorkehrungen verbaut, um die Faktoren, die zu thermischem Durchgehen führen, so weit wie möglich zu eliminieren (s. Abb. 5). Die Akkukomponenten sind in der Regel mit Dichtungen oder Schweißnähten versiegelt, die darauf ausgelegt sind, bei hohem Innendruck zu bersten bzw. reißen. Zusätzlichen Schutz bieten gekerbte oder mit anderen Berstvorrichtungen versehene Verschlüsse, die sich öffnen und ein Entweichen des Drucks ermöglichen. Ladungsunterbrecher (CID) trennen bei Überladung, Tiefentladung, Überhitzen oder internem Kurzschluss die physische Verbindung zwischen der Zelle und der externen Schaltung.
Abbildung 5: Ein typischer Verschluss eines zylindrischen Akkus verfügt über verschiedene mechanische Vorrichtungen, die eine Zerstörung/irreparable Beschädigung des Akkus sowie thermisches Durchgehen verhindern.
(Quelle: U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory)
Effektiven Schutz bieten bei kommerziell vertriebenen Lithium-Ionen-Akkus strombegrenzende PTC-Widerstände. Der PTC-Widerstand ist als Ring im Inneren des Verschlusses verbaut (s. Abbildung 5) und begrenzt bei Kurzschluss den vom Akku ausgehenden Stromfluss. Akku-PTCs bestehen in der Regel aus einer Matrix aus kristallinem Polyethylen, die mit leitfähigen Partikeln imprägniert ist. Ihr Widerstand steigt bei Temperaturerhöhung rasch an. Wird der Akku kurzgeschlossen, führt der rasche Anstieg der Stromstärke zur Erhitzung des PTC-Widerstands. Der dadurch rasch ansteigende Widerstand reduziert den Stromfluss. Der Akku bleibt kurzgeschlossen und der hohe Widerstand begrenzt den Stromfluss, solange der Kurzschluss besteht. Arbeitet der Akku im Anschluss wieder unter Normalbedingungen, sinkt der PTC-Widerstand auf den Normalwert ab. Der Akku verfügt somit über eine rückstellbare Sicherung.
Physischer Schutz
Nach längerem Betrieb neigen die Elektroden zu schrittweiser Zersetzung und sogar Auflösung, was zu einem Verlust an Akkuleistung führt. In manchen Fällen führen Risse oder auch Verunreinigungen in den Elektroden zu Dendritenbildung, bei der metallisches Lithium an der Anode kristallisiert. Mit der Zeit und fortschreitender Lithiumablagerung können diese Dendriten eine nadelähnliche Form annehmen. Erreichen die Dendriten eine bestimmte Länge, können sie den Separator zwischen den Elektroden durchstoßen und einen Kurzschluss der Zelle hervorrufen.
Abbildung 6: Mikrofotografische Aufnahmen der Dendritenbildung zeigen das rasche und ungeordnete Größenwachstum metallischer Lithiumablagerungen, die interne Strukturen beschädigen und einen Kurzschluss der Lithium-Ionen-Zelle auslösen können. (Quelle: U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory)
Bei der Dendritenbildung handelt es sich grundsätzlich um einen lang andauernden Prozess. Jedoch können externe Einwirkungen wie Vibration oder ruckartige abrupte Bewegung Elektroden beschädigen, die Dendritenbildung beschleunigen, die innere Struktur des Akkus und damit Schutzvorrichtungen beschädigen oder sogar elektrische Verbindungen unterbrechen, was zum Ausfall des Akkus führt.
Abrupte mechanische Einwirkung (z. B. Stoß) kann bei Lithium-Ionen-Akkus thermisches Durchgehen auslösen. Im Sport- und Fitnessbereich etwa ist denkbar, dass Schläger oder Schuhstollen das Akkugehäuse durchschlagen und den Separator zerstören, wodurch eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Elektroden entsteht. Noch problematischer ist, wenn bei Akkus, die bereits teilweise chemisch degradiert sind, ein Durchstoßen des Gehäuses zum Austritt nicht wässriger Elektrolytlösung und zur Freisetzung entzündlicher Gase führt.
Wird ein Lithium-Ionen-Akku gequetscht, ist im günstigsten Fall eine Beschädigung der Elektrode und ein Absinken der Akkuleistung die Folge. Schlimmstenfalls wird der Separator durchstoßen. Dann kommt es mit hoher Wahrscheinlichkeit zum Kurzschluss und zu thermischem Durchgehen.
Hersteller reagieren auf diese Probleme/Gefahren mit dem Einsatz von Gehäusen, die dem jeweiligen Verwendungsbereich des Akkus angepasst sind. Bei gängigen Verbraucherelektronikgeräten sind die Akkupacks häufig in festen Metall- oder Plastikgehäusen untergebracht oder auch mit Schrumpfschlauch umgeben, wenn geringes Gewicht Priorität hat und die Sicherheitserfordernisse eine solche Minimal-Umhüllung erlauben.
Spezialisierte Hersteller wie iTECH und Nuvation verbinden verschiedene Layouts von Lithium-Ionen-Akkus mit darauf abgestimmten Materialien und Herstellungsverfahren für Gehäuse. Gängige zylindrische Akkus haben typischerweise Gehäuse aus Edelstahl, die aber für Sport- und Fitness-Anwendungen, bei denen die Akkus am Körper getragen werden, häufig zu sperrig und schwer sind. Für diesen Einsatzbereich werden häufig prismatische Zellen mit kompakter Schichtstruktur eingesetzt, die vergleichsweise dünn sind und in der Regel über Metallgehäuse verfügen. Für ultrakompakte Produkte werden Pouch Cell-Designs eingesetzt, bei denen sich Elektrolyt und Elektroden in einer versiegelten flexiblen Hülle befinden. Die Anschlüsse bestehen aus leitfähigen Folienstreifen, die mit den Elektroden verschweißt sind.
Lithium-Ionen-Akkus bieten eine wesentlich höhere Energiedichte als herkömmliche Batterietechnologien. Mit dem geeigneten Gehäuse und bei Verwendung innerhalb der empfohlenen Betriebsbedingungen sind Lithium-Ionen-Zellen eine effiziente Energiequelle, die die Anforderungen von Sport- und Fitness-Anwendungen in Bezug auf die jeweilige Sportart und den Leistungsbedarf erfüllt.