Lithium Batterien – Umwandlung von chemischer in elektrische Energie

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In jedem Smartphone und jedem Laptop stecken sie, und auch in Elektroautos und E-Scooter sind sie verbaut: Lithium Batterien. Die leistungsfähigen Akkumulatoren funktionieren aber nicht ohne bestimmte Rohstoffe. In einem Smartphone-Akku stecken etwa acht Gramm Kobalt und Lithium, in einem Elektroauto etwa tausendmal so viel. Aber diese Rohstoffe sind knapp, und ihr Abbau kritisch. Weil Elektroautos das Klima retten und sich deshalb möglichst schnell verbreiten sollen, hat ein weltweiter Wettkampf um die Batterierohstoffe begonnen.



Grundlage Batterie

Es gibt wiederaufladbare und nicht wiederaufladbare Batterien. Was landläufig als wiederaufladbare Batterie oder Akku bezeichnet wird, heißt streng genommen Sekundärbatterie. Im Gegensatz dazu stehen die nicht wiederaufladbaren Batterien, die Primärbatterien.

Die Funktionsweise eines Lithium Ionen Akkus ist ähnlich einer klassischen Batterie, d.h. das Grundprinzip ist gleich.Batterien sind chemische Energiespeicher, die in einer elektrochemischen Reaktion die gespeicherte Ladung in Form von elektrischer Energie (Strom) abgeben können.

Heute stehen für die unterschiedlichsten Anwendungen eine Vielfalt von Batterietypen zur Verfügung, die sich in Kathode, Anode und Elektrolyt sowie in Bauform, Leistung und Größe unterscheiden.Der Begriff Batterie bezeichnet ursprünglich die Zusammenschaltung mehrerer einzelner Batteriezellen. Jedoch hat sich inzwischen ein Bedeutungswandel des Begriffs vollzogen, so dass mit Batterie auch eine einzelne Zelle gemeint sein kann.

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Beim Lithium Ionen Akku wird die elektromotorische Kraft durch die Verschiebung von Lithium-Ionen erzeugt.Die Kathode als Pluspol, die Anode als Minuspol, der Separator als Art Trennschicht und der Elektrolyt sind die Bestandteile einer Lithium Batterie. Der Separator verhindert, dass sich Kathode und Anode berühren (das würde einen Kurzschluss auslösen). Umgeben ist das Ganze von einer Flüssigkeit, dem Elektrolyt. In diesem Elektrolyt können geladene Teilchen wandern. Wenn ein Verbraucher an den Akku angeschlossen wird, werden an der Anode negativ geladene Teilchen (Elektronen) frei und wandern zur Kathode. Diese Wanderung geschieht außen herum über den Verbraucher, nicht durch die Batterie. Dadurch entsteht ein Ungleichgewicht und die Lithium-Ionen wandern durch das Elektrolyt ebenfalls zur Kathode. Diese Wanderung erzeugt den Strom, der z.B. eine Akkuheckenschere antreibt.


Warum Lithium?

Lithium ist das leichteste Metall im chemischen Periodensystem und besitzt das von allen Metallen größte elektrochemische Potenzial. Die hohe elektrische Kapazität und die hohen Zellspannungen machen es zum idealen Elektrodenmaterial für chemische Energiespeicher.

Lithium-Batterien sind eine vergleichbare junge Technologie. An der Technischen Universität in München untersuchte man in den 70er Jahren die Lithium Ionen Batterie und schaffte so die Grundlage für die Entwicklung des Lithium-Akkus. In den 80er Jahren wurde der erste funktionstüchtige Lithium-Cobaltdioxid-Akku entwickelt. Seitdem etablierte sich die Lithium Batterie auf dem Markt in den verschiedensten Einsatzbereichen.

Lithium-Batterien werden heute vorzugsweise zur Stromversorgung oder als Pufferbatterie von elektronischen Geräten eingesetzt. Insbesondere der rasante Aufwärtstrend bei der mobilen Elektronik wie z.B. Smartphones, Notebooks, Kameras oder Werkzeuge, hat zur massenhaften Herstellung und Verbreitung von Lithium-Batterien geführt. Aber auch für den Einsatz bei Kleinfahrzeugen (E-Bike, E-Scooter, Rasenmäher, Gabelstapler etc.) erfuhr die Lithium-Batterie einen regelrechten Boom. Der Umstieg vom Verbrennungs- zum Elektromotor treibt die Entwicklung und die Anwendung von Lithium-Batterien im Bereich der Elektromobilität rasant voran. Die Bezeichnung „Lithium-Batterie“ ist der Sammelbegriff für eine Vielzahl verschiedener Batterie-Systeme, in denen Lithium in reiner oder gebundener Form als Aktivmaterial der Batterieelektrode verwendet wird.

Grundsätzlich differenziert man zwei unterschiedliche Batteriearten:

  • Lithium Metall Batterien sind Primärzellenbatterien und nicht wiederaufladbar. Sie haben eine hohe Ladungsdichte, wodurch sie mehr Energie speichern können und viel länger halten als klassische Batterien. Die Lithium Metall Batterie hat eine bis zu viermal längere Haltbarkeit als die von Lithium Ionen Batterien und sind außerdem einfacher herzustellen und viel billiger. Lithium Metall Batterie können hingegen nicht wieder aufgeladen werden, was zur Erfindung der Lithium Ionen Batterien führte. Lithium Metall Batterien finden für den einmaligen Gebrauch Verwendung z.B. in Form von Knopfzellen.
  • Lithium Ionen Batterie, oder auch Lithium-Ionen-Akkumulator, sind Sekundärbatterien. Die Elektroden der Batterie bestehen nicht aus metallischem Lithium, sondern aus Lithium in Kombination mit vielen anderen Materialien. Sie sind außerdem sehr ladefähig und müssen vor dem Aufladen nicht vollständig entladen werden. Diese Batterien sind verglichen mit der Einfachheit der Lithium Metall Batterie sehr komplex. In einer Lithium Ionen Batterie befinden sich mehrere Lithium-Ionen-Zellen, die die Energie speichern und bereitstellen.

Vorteile von Lithium-Batterien


Mit der Entwicklung von Lithium Batterien wurde die mobile Nutzung größerer Strommengen bzw. strombetriebener Geräte und Fahrzeuge überhaupt erst möglich. Gegenüber den vormals genutzten Akku-Technologien (wie bspw. Nickel-Cadmium-Akkus oder Bleiakkus), haben Lithium Batterien eine Vielzahl von Vorteilen, die sie ideal für die mobile Bereitstellung von Strom machen.

Die wichtigsten Vorteile von Lithium Ionen Akkus im Überblick:

  • Hohe Energiedichte
  • Hohe Zyklenfestigkeit und lange Lebensdauer
  • Geringe Selbstentladung


Die wichtigste Eigenschaft von Lithium Ionen Batterien ist deren hohe Energiedichte. Eine Lithium Ionen Batterie hat je nach Bauart eine doppelt bis viermal so hohe Energiedichte wie ein vergleichbarer Nickel Cadmium Akku, gegenüber dem Bleiakku beträgt der Faktor sogar vier bis sieben. Somit ist es möglich, große Strommengen auf kleinem Raum zu speichern und zum Beispiel Elektroautos über lange Strecken anzutreiben.

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Hohe Zyklenfestigkeit und lange Lebensdauer
Lithium Ionen Batterien müssen heutzutage über viele tausend Zyklen und eine lange Lebensdauer zuverlässig und mit geringem Kapazitätsverlust funktionieren. Das leisten sie problemlos im Unterschied zu den Vorgängern aus Nickelcadmium oder Blei.
Es gibt Lithium Ionen Batterien, deren Garantie nach 10.000 Ladezyklen immer noch eine Kapazität von 80% verspricht. Auch die in Elektroautos verbauten Akkus müssen solche Anforderungen erfüllen.

Kein Memoryeffekt bei Lithium-Ionen-Akkus
Lithium Ionen Batterien haben im Unterschied zu Nickel Cadmium Akkus nicht nach einer gewissen Zeit mit dem sogenannten Memoryeffekt zu kämpfen. Dadurch verlieren sie nicht an Kapazität. Lithium Ionen Batterien können problemlos häufig wieder be- und entladen werden, wobei sie weder bis auf 100% geladen werden müssen, noch die Kapazität voll verbraucht werden sollte – dennoch verlieren sie nicht die Leistung. Die Lebensdauer verlängert sich durch den fehlenden Memoryeffekt signifikant.


Lithium-Ionen-Akkus haben nur eine geringe Selbstentladung
Mit der geringen Selbstentladung von nur ca. 2% pro Monat bringen Lithium Ionen Batterien einen entscheidenden Vorteil mit. Nicht jedes akkubetriebene Gerät kommt täglich zum Einsatz. Beispielsweise werden gerade im Winter viele Geräte nicht täglich genutzt, weshalb die geringe Selbstentladung einen wesentlichen Vorteil darstellen.


Rohstoffgewinnung kritisch betrachtet

Die Nachfrage am Weltmarkt nach dem Batterierohstoff Lithium steigt, doch das Vorkommen ist endlich und der Abbau umstritten. Die Frage der nachhaltigen Gewinnung des Rohstoffs rückt immer mehr in den Fokus. Die Belastungen des Lithium Abbaus auf das Ökosystem sind gravierend. Sie ergeben sich durch enorme Flächeninanspruchnahme, großen Bedarf an Wasser, Emissionen von Schadstoffen in Wasser, Boden und Luft. Ein besonders großes Problem beim Lithium-Abbau z.B. in Lateinamerika ist die Kontamination der Gewässer, was zu einer Gesundheitsgefährdung der Menschen führt. Es stellt sich die Frage nach der richtigen Balance zwischen Vor- und Nachteilen der Fokussierung auf lithiumhaltige Technologie.


Risiken und Gefahren

Batterien sind grundsätzlich dafür bestimmt, große Energiemengen zu speichern und diese chemisch gespeicherte Energie im Laufe eines Entladevorgangs in Form von elektrischer Energie wieder abzugeben. Die Ursachen für Brände von Lithium-Batterien sind vielfältig und in der Regel auf einen Defekt zurückzuführen. Fatal ist, dass dieser bei einer Batterie oft gar nicht sichtbar ist und die Funktion nicht zwangsweise
einschränkt. Es kann unter Umständen noch längere Zeit dauern, bis nach einem Defekt eine Selbstentzündung entsteht. Kommt es aufgrund von technischen Defekten oder unsachgemäßer Handhabung zu einer unkontrollierten und beschleunigten Abgabe der elektrischen Ladung, einem sogenannten Thermal Runaway, wird die gespeicherte chemische Energie nicht als elektrische, sondern in Form von thermischer Energie freigesetzt.

Dem rasanten Einzug der Lithium-Energiespeicher in die Haushalte steht eine eher verhaltene Aufklärung über die Risiken gegenüber. Selbst Gewerbetreibende sind sich oft der Risiken nicht bewusst. Die Gesetzgebung deckt nicht jeden Bereich im Umgang mit Lithium-Energiespeichern ab, so gibt es zum Beispiel keine gesetzlichen Vorgaben für die Lagerung der Batterien. Viele E-Bike-Händler deponieren deshalb zurückgegebene (defekte) Akkus ohne Sicherheitsvorkehrungen in ihren Werkstätten. Die Risiken bei der Herstellung, Handhabung, Lagerung und Transport von Lithium-Batterien stellen besondere Herausforderung an Brandschutz und Personensicherheit.

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Spektakuläre Ereignisse machten auf die Gefahren durch Lithium Batterien in der Öffentlichkeit aufmerksam. Das Versagen von hauptsächlich Lithium Ionen- aber auch von Lithium Metall Batterien z.B. in Flugzeugen, Fahrzeugen, Notebooks, Smartphones und anderen elektrischen Geräten führte in den letzten Jahren zu großen Rückrufaktionen und verschärften Transportbedingungen.

Ursachen für Batteriebrände:

  • fehlerhafte Handhabung
  • mechanische Beschädigung
  • thermische Belastung
  • äußerer oder innerer Kurzschluss
  • Überladung
  • Tiefentladung

Bei Bränden von Lithium Ionen Batterien kann es bereits bei gängigen Größen (z.B. Laptop) zu einer kritischen Gefährdung kommen.

Das Brandverhalten von Lithium Batterien kann jedoch nicht pauschalisiert werden. Gleiche Akkumulatoren können unter gleichen Bedingungen unterschiedlich stark reagieren und brennen. Es kann jedoch gesagt werden, dass die Menge der gespeicherten Energie die Stärke der Reaktion beeinflusst. Aus diesem Grund reagieren vollständig geladene Lithiumbatterien unter gleichen Bedingungen schneller und heftiger als solche, die z. B. nur zu 30% geladen sind. Außerdem reagieren Lithium Metall Batterien heftiger vor allem bei Kontakt mit Wasser als Lithium Ionen Batterien.

Gefährdung durch einen Unfall von einem E-Fahrzeug:
Bei Beschädigung der Batterie durch einen Crash kann es zum Brand der Batterie oder zu einem Fahrzeugbrand kommen. Ein Thermal Runaway eines Lithium Ionen Akkumulators in einem PKW hat zur Folge, dass der PKW innerhalb kurzer Zeit in Vollbrand steht.


Lithiumbatterien und lithiumbatteriebetriebene Fahrzeuge im Gefahrgutrecht

Der Umgang mit Lithiumbatterien ist mit Risiken verbunden: Lithium Ionen Batterien reagieren mit vielen Stoffen, neigen zur Überhitzung und können in Brand geraten. Deshalb gelten Lithiumbatterien und auch Geräte, die solche Batterien enthalten, im internationalen Transportrecht als Gefahrgutund unterliegen strengen gesetzlichen Vorgaben.

Für den europäischen Straßenverkehr gelten dabei die Regeln des Europäischen Übereinkommens über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße (ADR), für die Schiene das Regelwerk für den internationalen Schienentransport von Gefahrgut (RID), für den Seeverkehr der Internationale Code für die Beförderung gefährlicher Güter mit Seeschiffen (IMDG-Code) und für die Luftfracht die Gefahrgutvorschriften der International Air Transport Association (IATA-DGR).

Lithium-Batterien sind als Gefahrgut der Klasse 9 zu klassifizieren. Während zwischen Serienbatterien und Prototypen, Leistungsklassen und Gewichten einfach differenziert werden kann, stellt die Beurteilung des Zustandes und ggf. auch der Ladekapazität der Batterie eine große Herausforderung dar. Der Versender muss z.B. bei einer beschädigten Batterie entscheiden, ob sie kritisch oder unkritisch beschädigt ist. Als beschädigt gelten Batterien, die sowohl „end of life“ als auch technisch defekt sind. Je nach Art der Beschädigung muss eine entsprechend zugelassene Transportverpackung gewählt werden.


Speziell an Lithiumbatterien werden für einen Transport restriktive Bedingungen gestellt. So muss jede Batterie über ein Prüfzertifikat (Summary Test Report) und ein Qualitätsmanagementprogramm verfügen. Liegen diese nicht vor ist ein Versand / Transport nicht möglich.

Auch Fahrzeuge, die durch Lithiumbatterien betrieben werden, fallen als transportiertes Gut unter die Gefahrgutvorschriften. Als „UN3171 batteriebetriebenes Fahrzeug“ klassifiziert müssen beim Transport besondere Bestimmungen erfüllt werden.


Autor: Ariane Stachowsky, Gefahrgutbeauftragte, Luftsicherheitsbeauftragte


Quellenverzeichnis:

https://un-transportaufkleber.de/batterie-typ.html

https://www.internetchemie.info/chemische-elemente/lithium.php

Häufige Fragen zu dem UnLimited Forschungsprojekt (geothermal-lithium.org)

https://lionknowledge.com/lithium-ionen-batteriesysteme/1-7-lithium/1-7-1-gewinnung/

https://mappingworld.wordpress.com/

https://www.deutsche-rohstoffagentur.de/DE/Gemeinsames/Oeffentlichkeitsarbeit/Pressemitteilungen/BGR/DERA/dera-bgr-2022-06-24_pm_dera-stellt-ergebnisse-der-rohstoffrisikobewertung-lithium-vor.html;jsessionid=CB2F28E20CD9DD0E992ECB7427F49495.2_cid284?nn=1797942

https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/geothermie

https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium

https://de.wikipedia.org/wiki/Lithium-Ionen-Akkumulator

BAM – TES – Gefahrgutvorschriften – Gefahrgutvorschriften

IATA – Dangerous Goods Regulations (DGR)

IMDG Code (imo.org)

Bundesverband Geothermie: Lithium Extraktion

https://www.geothermie.de/bibliothek/lexikon-der-geothermie/l/lithium-extraktion.html

BGR – Deutsche Rohstoffagentur – DERA Themenheft – Batterierohstoffe für die Elektromobilität (deutsche-rohstoffagentur.de)

Lithium – Chemgapedia

Lithium (Li) – chemische Eigenschaften, gesundheitliche und umwelttechnische Auswirkungen (lenntech.de)

Strategische Metalle: Prognose zur Nachfrage bis 2030 | Statista

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