electric vehicle Li-Ion battery concept
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06.08.2020 Fachinformation

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

Lithium-Ionen-Akkus haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten – von tragbaren Geräten über die Elektromobilität bis hin zu stationären Heimspeichern. Der Vorteil gegenüber anderen Akkus: eine deutlich höhere Energiedichte. Li-Ionen-Akkus sind allerdings nicht ganz unproblematisch. Eine Risikoeinschätzung für Lithium-Ionen Speichermedien und das Kompendium für Li-Ionen-Batterien liefern praktische Hinweise im Umgang mit dieser Energiespeicher-Technologie.

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Dr. Kerstin Sann-Ferro
Zuständiges Gremium

Was sind Lithium-Ionen-Akkus?

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.

Wer den Lithium-Ionen-Akku erfunden hat, lässt sich nicht klar beantworten. Bei der Frage muss unterschieden werden, wer welche Komponenten erfunden und die Technologie zur Marktreife gebracht hat.

Im Jahr 2019 sind drei Wissenschaftler mit dem Nobelpreis für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie ausgezeichnet worden.

Stanley Wittingham hat in den 1970er Jahren Surpaleiter erforscht, die als vielversprechendes Kathodenmaterial für die Lithium-Ionen-Batterie entdeckt wurden. John. B. Goodenough erkannte später, dass dieses aus Titansulfid gefertigte Material mehr Potential hat, wenn Metalloxide statt Metallsulfide verwendet werden. Akira Yoshino nutzte diese mit Kobaltoxid entwickelte Kathode zur Herstellung der ersten kommerziell nutzbaren Lithium-Ionen-Batterie im Jahr 1985.

Das Unternehmen Sony hingegen hat 1991 die erste primäre Lithium-Ionen-Batterie (nicht wiederaufladbar) auf den Markt gebracht und der Technologie auf diese Weise zum Durchbruch verholfen.

Wo werden Lithium-Ionen-Akkus eingesetzt?

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.


Batterie Energiespeicher
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Expertengremium DKE/K 371 Akkumulatoren

Aufgabenbereich des DKE/K 371 ist die Erarbeitung von Normen für die Sicherheitsanforderungen von wieder aufladbaren (sekundären) Batterien, Batteriezellen und Batteriesystemen beteiligt.

Zudem ist das Komitee für Produktnormen aller Anwendungsbereiche zuständig, wie beispielsweise stationäre Speicher, Starterbatterien, Traktionsbatterien, Flugzeugbatterien, aber auch für Batterien in Elektrostraßenfahrzeugen, Pedelecs und portablen Anwendungen.

Zum Expertengremium DKE/K 371

Thermal Runaway: Wenn Lithium-Ionen-Akkus immer weiter brennen

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 Termpeaturen 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.


Ob Batterien oder Energiespeichersysteme, das VDE-Institut ist Ihr zuverlässiger Prüfpartner
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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.

Dienstleistungen für Batterien beim VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut

Leitfaden für die Praxis: Risikoeinschätzung Lithium-Ionen Speichermedien

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.

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

Einsatzkräfte der Feuerwehr müssen darauf vorbereitet sein, ein brennendes Elektrofahrzeug zu löschen. Hier gilt das Motto: Viel Wasser hilft viel.

Spezialschäume sind nicht erforderlich. Kaltes Wasser unterbindet den Thermal Runaway durch Kühlung und entlädt den Lithium-Ionen-Akku. Eine wichtige Erkenntnis der vergangenen Einsätze ist, dass das Elektrofahrzeug weiter mit Wasser gekühlt werden sollte, auch wenn der Brand bereits gelöscht zu sein scheint. Nur so kann sichergestellt werden, dass keine Restenergie mehr vorhanden ist.

Ist der Brand gelöscht, darf der Brandort nicht direkt verlassen werden. Es muss ein auf Elektrofahrzeuge spezialisiertes Abschleppunternehmen mit der Bergung beauftragt werden.

Kompendium Li-Ionen-Batterien: Grundlagen, Kriterien, Gesetze und Normen

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?

Für genau diese Zielgruppen wurde das Kompendium geschrieben, um bei diesen Fragen eine Hilfestellung zu sein. 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. Das Kompendium beschreibt außerdem den sicheren Transport und gibt einen Überblick zu gesetzlichen Regelungen sowie die zu diesem Zeitpunkt geltenden Normen und Standards.

Hinweis zum Kompendium:

Das „Kompendium: Li-Ionen-Batterien“ wurde im Jahr 2015 veröffentlicht. Seitdem hat sich nicht nur die Technologie in vielen Aspekten weiterentwickelt, auch wurde sehr viel Arbeit in der Normung geleistet. Das Kompendium wird aus diesem Grund derzeit vollständig überarbeitet. Entwickler sowie Hersteller können jedoch auch weiterhin auf das aktuell verfügbare Dokument zurückgreifen, um sich einen ersten Überblick zu Li-Ionen-Batterien zu verschaffen.


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