Lithium-Ionen-Akkus: Kompendium bietet guten Einstieg für Hersteller, Entwickler und Anwender

Lithium-Ionen-Akkus (Lithium-Ionen-Akkumulatoren; Li-Ionen-Akkus) sind elektrochemische Energiespeicher, die in verschiedenen Geräten eingesetzt werden können, um Strom zu liefern. Li-Ionen-Akkus sind nichts anderes als eine Batterie (Lithium-Ionen-Batterie). Unterschieden wird zwischen einer Primärbatterie (nicht wiederaufladbar) und einer Sekundärbatterie (wiederaufladbar). Der Begriff Akkumulator („Akku“) definiert, dass es sich um die wiederaufladbare Variante einer Batterie handelt.

Batterien sind immer aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten aufgebaut. Lithium-Ionen-Akkus hingegen verfügen über eine spezielle Struktur der Anode und Kathode auf. Die Kathodenmaterialien bestehen aus Übergangsmetalloxiden; als Anodenmaterial wird überwiegend Graphit eingesetzt. Diese Materialien bestehen aus Schichtstrukturen, in die Lithium-Ionen reversibel ein- und ausgelagert werden können.

Lithium-Ionen-Akkus werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt – angefangen beim Handy über das Elektrofahrzeug bis hin zum Heimspeicher. Den Durchbruch hatten Li-Ionen-Akkus bei tragbaren Geräten: Auf sehr kleinem Raum konnte fortan deutlich mehr Energie gespeichert werden. Das machte Lithium-Ionen-Akkus für weitere Anwendungen sehr attraktiv. Gleichzeitig stieg der Energieinhalt durch Materialverbesserungen bei gleicher Größe weiter an.

Anwendungsmöglichkeiten von Lithium-Ionen-Akkus:

• Handys
• Laptops
• Hörgeräte
• Heimspeicher
• Elektrofahrzeuge
• Elektrowerkzeuge

Im Kontext der Normung sind Heimspeicher auf Grundlage von Li-Ionen-Akkus derzeit von großem Interesse. Die Herausforderung hierbei ist die Festlegung spezieller Sicherheitsanforderungen vor allem durch Nutzung im privaten Umfeld.

Bei VDE DKE existiert bereits seit langer Zeit eine Arbeitsgruppe, bestehend aus zahlreichen Experten, die sich mit den Entwicklungen rund um Akkumulatoren auseinandersetzt und Normen für die Sicherheit von wiederaufladbaren (sekundären) Batterien, Batteriezellen und Batteriesystemen erarbeitet – das Gremium DKE/K 371 Akkumulatoren. Im Fokus standen somit bislang Sicherheitsnormen.

Für Heimspeicher arbeitet das Expertengremium an einer Performance-Norm, denn für eine Kaufentscheidung sind einheitlich definierte Vergleichskriterien hinsichtlich der Energieangaben relevant. Der vom Bundesverband Energiespeicher (BVES) und Bundesverband Solarwirtschaft (BSW) herausgegebene Effizienzleitfaden 2.0 wird in eine VDE Anwendungsregel überführt werden.

DKE Innovation Campus 2023 – Speichertechnologien

Speichertechnologien haben für die Elektrifizierung von Gebäuden, Industrie, Verkehr und Gesellschaft eine große Bedeutung. Und genau deshalb standen die verschiedenen Energiespeichertechnologien im Mittelpunkt der Veranstaltung. #Zuhören, #Mitreden, #Mitgestalten und #Respekt – das Credo nicht für diesen einen Tag. Für die Normung. Für uns als Gesellschaft. Für die Vision der All Electric Society.

Lithium-Ionen-Akkus weisen eine besondere Eigenschaft auf: Im Fehlerfall des internen Kurzschlusses können sie von selbst anfangen zu brennen. Möglich ist das aufgrund der verwendeten Materialien, die bei der Zersetzung Wärme abgeben (exotherme Reaktion). Verstärkt wird dieser Vorgang noch einmal durch die als Kathodenmaterial verwendeten Übergangsmetalloxide, die unter Freisetzung von Sauerstoff reagieren. Es handelt sich um einen sich selbst verstärkenden Prozess – die entstehende Wärme kann nicht abgeführt werden. Dieses Phänomen tritt bei anderen bekannten Batterietechnologien nicht auf. Dort tritt bei Überladung beispielsweise Gasung auf, die für die gesamte Batterie jedoch nicht zerstörerisch wirkt sondern lediglich zu Leistungsverlusten führt.

Im Umgang mit Lithium-Ionen-Akkus sollte darauf geachtet werden, dass

• es zu keinen Materialschädigungen, beispielsweise durch Herunterfallen, kommt oder schlecht gefertigte Akkus verwendet werden (z. B. bei Ersatzakkus),
• es zu keiner Überladung oder Tiefenentladung kommt (defekte oder falsche Ladegeräte) und
• keine Ladevorgänge bei tiefen Termperaturen erfolgen (< 0 °C).

Häufig tritt in diesem Zusammenhang die Frage auf, wo der Unterschied zwischen einem Benziner und einem Elektrofahrzeug liegt, wenn beide Autos brennen. Der Unterschied ist einfach erklärt: Der Benziner benötigt eine externe Zündquelle, damit er anfängt zu brennen. Ein Benzintank fängt in der Regel nicht einfach an zu brennen. Zwar kommt es durch Zündfunken bei Unfällen ebenfalls vor, dass ein Benzintank brennt, jedoch brennt dieser nur so lange, bis die brennbare Masse, also das Benzin, aufgebraucht ist. Bei einem Lithium-Ionen-Akku kann es vorkommen, dass der Akku zeitverzögert erneut brennt, obwohl der Brand zuvor bereits gelöscht wurde, weil noch Restenergie vorhanden ist. Letzteres passiert aber nur sehr selten.

Batterien: Prüfung und Zertifizierung im VDE Institut

Wird bei der Herstellung von Batterien zu wenig auf Qualität geachtet, kann das die Leistung, aber vor allem die Sicherheit, beeinträchtigen. Fehlerhafte Batterien und Akkus können Geräte beschädigen. Im schlimmsten Fall kann es zu Bränden oder Explosionen kommen und damit auch Personen schaden.

Das VDE Institut prüft und zertifiziert Batterien nach aktuellen Normen und Standards und zeichnet sie mit Prüfsiegeln für den nationalen und internationalen Markt aus.

Elektrofahrzeuge sind vergleichsweise neu auf unseren Straßen. In den letzten Jahren dominierten immer wieder Schlagzeilen die Medien, weil ein brennendes Elektrofahrzeug nach einem Unfall am Straßenrand stand und nur schwer von der Feuerwehr gelöscht werden konnte. Anfangs stellten sich Fragen wie:

• Wie gehen wir mit dem Brand um?
• Dürfen wir überhaupt mit Wasser löschen?
• Brauchen wir zur Brandbekämpfung Spezialschaum?

Aus genau diesem Grund haben der Deutsche Feuerwehrverband e. V. (DFV) und die Arbeitsgemeinschaft der Leiter der Berufsfeuerwehren und des Deutschen Feuerwehrverbandes (AGBF Bund) zusammen einen Leitfaden für die Praxis – Risikoeinschätzung Lithium-Ionen Speichermedien – erarbeitet. Der für alle frei zugängliche Praxisleitfaden enthält eine allgemeine Gefährungseinschätzung, erläutert Grundsätze bei der Brandbekämpfung, geht auf Elektrofahrzeuge, Kleinbatterien und Hausspeicheranlagen ein und thematisiert darüber hinaus die Lagerung sowie die Entsorgung von Li-Ionen Speichermedien.

Die DKE war ebenfalls an dem Praxisleitfaden beteiligt und hat DFV und AGBF Bund bei der Erarbeitung mit seinem Expertenwissen beratend unterstützt.

Das „Kompendium: Li-Ionen-Batterien“ entstand im Rahmen des abgeschlossenen Förderprojektes IKT für Elektromobilität 2. Universitäten, Start-ups etc. haben Produkte und Dienstleistungen für die Elektromobilität entwickelt – und die Hauptkomponente der Elektromobilität ist der Li-Ionen-Akku. Somit war es wichtig, die Grundlagen dieser Technologie zu kennen, um zu entscheiden:

• Woher beziehe ich meinen Li-Ionen-Akku?
• Wie bewerte ich die Qualität eines Li-Ionen-Akkus?
• Woher weiß ich, ob der Li-Ionen-Akku sicher ist oder nicht?

Das Kompendium wurde geschrieben, um bei der Beantwortung genau dieser Fragen Hilfestellung zu leisten und den fachlichen Einstieg sowohl in technologische Teilgebiete als auch in normative Hintergründe zu erleichtern.

Inhaltlich erläutert das Kompendium, wie ein Li-Ionen-Akku grundsätzlich funktioniert, wie sich ein guter von einem schlechten Akku unterscheidet und wie eine entsprechende Bewertung anhand von Kriterien vorgenommen werden kann. Es beschreibt sowohl verwendete Materialien der gebräuchlichsten Zelltypen als auch den Aufbau von Modulen und Systemen. Das Kompendium befasst sich außerdem mit dem sicheren Transport, gibt abschließend einen Überblick zu aktuellen gesetzlichen Regelungen, Normen und Standards und endet mit einem Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.

Hinweis zum Kompendium:

Das erste „Kompendium: Li-Ionen-Batterien“ wurde im Jahr 2015 veröffentlicht. Seitdem hat sich nicht nur die Technologie in vielen Aspekten weiterentwickelt, auch in der Normung wurde sehr viel Arbeit geleistet. Aus diesem Grund wurde das Kompendium vollständig überarbeitet und seit Oktober 2021 können Entwickler sowie Hersteller auf die neue Version zugreifen und sich einen ersten Überblick zu Li-Ionen-Batterien verschaffen. Aufgrund der großen Nachfrage steht die entstandene, zweite Version auch in englischer Sprache zur Verfügung.

Components & Technologies konzentriert sich auf Bauteile, Komponenten und Materialien, die in unterschiedlichsten Endprodukten verbaut werden und dort zur Anwendung kommen. Qualität und Eigenschaften der fertigen Produkte werden durch die eingesetzten Komponenten und Materialien entscheidend beeinflusst. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im