Lithiumzellen und -Batterien als einer der Energieträger der Zukunft, sind aus der heutigen Welt überhaupt nicht mehr wegzudenken. Von kleinsten Zellen in medizinischen Implantaten, über große und extrem leistungsstarke Akkus in Elektrofahrzeugen, bis hin zu Energiespeichern großer Industrieanlagen, finden wir Sie in allen Bereichen des täglichen Lebens.
Das geringe Gewicht, die hohe Energiedichte und die Stromstärke sind gerade ideal für alle Einsatzgebiete. Die Transportwelt einschließlich der Entsorgungs- und Recyclingwirtschaft stellt dies vor große Herausforderungen. Nicht alle Zellen und Batterien können als weitestgehend transportsicher angesehen werden oder erfüllen die gleichen Qualitätsstandards.
Der Außenhandel mit Lithium-Ionen-Akkus in Deutschland hat sich in den Jahren 2012 bis 2019 etwa vervierfacht. Im Jahr 2019 importierte Deutschland rund 231 Millionen Lithium-Ionen-Akkus. Der Großteil wurde der Akkus wurde aus asiatischen Ländern eingeführt.
(Quelle: Statista GmbH)
Diese entsprechen bei weitem nicht immer den gültigen Vorschriften hinsichtlich Fertigungsstandards und vorgeschriebenen Tests. Zwischenfälle in der Vergangenheit haben uns gezeigt welche schwerwiegenden Folgen dies haben kann. Lithiumzellen und -batterien, wurden aufgrund Ihrer gefährlichen Eigenschaften als Gefahrgut eingestuft und müssen entsprechend dieser transportrechtlichen Vorschriften befördert werden.
Durch diese Einstufung erfolgte eine Menge gesetzlicher Auflagen, nicht nur bezüglich der Herstellung, sondern auch zum Transport bis hin zur Entsorgung. Um die Transportsicherheit zu gewährleisten, müssen alle Zellen und Batterien, welche aus diesen gefertigt werden, einem Sicherheitstest unterzogen werden. Der sogenannte UN 38.3 Test welcher nach dem gleichlautenden Kapitel des UN- Handbuchs Prüfungen und Kriterien zwingend vorgeschrieben ist.
Die vereinten Nationen haben in Zusammenarbeit zwischen dem UN-Expertenkomitee für die Beförderung gefährlicher Güter (ECOSOC Sub-Committee of Experts on the Transport of Dangerous Goods) und der Internationalen Elektrotechnische Kommission (International Electrotechnical Commission) Standards geschaffen, welche durch die Gesetzgebung im Transportsektor umgesetzt wurden. Die Normung und Einführung dieser verbindlichen Standards regeln alle Transportsituation aber auch die Herstellungskriterien.
Sobald eine Zelle oder Batterie entwickelt wird, gilt sie als Prototyp. Erst nach erfolgreich bestandenem Test hat kann die Serienfertigung beginnen, sofern ein QM-Programm der Hersteller gewährleistet das auch diese Zellen und Batterien exakt wie der Prototyp gefertigt wurden. Die größte Verantwortung liegt somit beim Hersteller dieser Energieträger allerdings gilt auch als Hersteller welcher Zellen und Batterien in unseren Wirtschaftsraum einführt nach Batteriegesetz (BattG). Der Hersteller bzw. Vertreiber welcher als solcher definiert ist muss nachweisen das die Produkte diese Anforderungen erfüllen und so wurde festgelegt das ein Nachweis in Form einer Prüfzusammenfassung zu erbringen ist.
Worin unterscheidet sich eine Zelle von einer Batterie?
Umgangssprachlich bezeichnen wir alles als Batterie, das ist jedoch falsch.
Für den Transport müssen wir auf der technischen Ebene diese Unterscheidung treffen, da es unterschiedliche Grenzwerte für Lithiumzellen und -batterien gibt. Diese Grenzwerte führen unter Umständen zu Erleichterungen beim Transport. Daher befassen wir uns an dieser Stelle mit ein paar Grundlagen:
Eine Zelle ist per Definition im Sinne der UN-Modellvorschriften und des Handbuchs Prüfungen und Kriterien, eine einzelne, ummantelte elektrochemische Einheit (eine positive und eine negative Elektrode), die zwischen ihren beiden Polen eine Spannungsdifferenz aufweist. Auch eine einzellige Batterie wird nach dieser Definition als Zelle bezeichnet, um eine einfache Abgrenzung zu schaffen. Eine Knopfzelle ist eine kleine runde Zelle, deren Gesamthöhe immer kleiner ist als ihr Durchmesser.
Eine Batterie (Mehrere Anzahl von etwas Gleichartigem) besteht aus zwei oder mehr Zellen, die elektrisch miteinander verbunden und mit für deren Gebrauch notwendigen Vorrichtungen ausgerüstet sind, wie Gehäuse, Anschlüsse, Kennzeichnungen und Schutzvorrichtungen.
Beträgt die Spannung ein Vielfaches von 3,0 oder 3,7 Volt, handelt es sich immer um eine Batterie.
Der Umkehrschluss, dass es sich bei 3,0 V oder 3,7 V immer um eine Zelle handelt, funktioniert aber nicht. Bei einer Spannung von 3,0 V oder 3,7 V kann es sich auch um eine Batterie handeln (Bspw. durch Parallelschaltung). Hier muss man sich ggf. das Datenblatt hinzuziehen oder den Hersteller fragen.
Die Lithium-Metall-Batterie gilt wegen ihrer hohen Kapazität und Energiedichte als der Heilige Gral der Batteriechemie. Sie sind im Allgemeinen meist nicht wieder aufladbar (Primärzelle) und enthalten metallisches Lithium. Lithium selbst ist bereits als Gefahrgut der Klasse 4.3 eingestuft, enthalten in Lithiumbatterien werden Sie als gefährlicher Gegenstand der Gefahrgutklasse 9 zugeordnet. Diese Zellen und Batterien waren allerdings nie langlebig aufgrund ihrer Eigenschaften durch das Lithiummetall. Die Stabilität dieser Batterien war einfach immer zu schlecht und Sie zersetzten sich selbst.
Wenn die Anode aus reinem Lithiummetall besteht, bilden sich auf der Oberfläche schnell nadelartige Strukturen, die Dendriten genannt werden. Diese Strukturen bohren ein Wurzelwerk in die Elektrolyten und zerstören die Batterie. Neuartige Batteriekonzepte versprechen all diese Akku-Probleme lösen können. US-Forschern der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS) gelang es nun mit einem Sandwich-Konzept dies zu verhindern.
Die Forscher behaupten, dass ihre Batterien mindestens 10.000 Mal geladen werden können. Was bei einem Elektrofahrzeug mit 500 Kilometern Reichweite auf unglaubliche 5 Millionen Kilometer käme. Dieser Wert würde die Lebensdauer des Fahrzeugs bei weitem übersteigen. Diese neue Batterie soll eine höhere Energiedichte besitzen als die heutigen Lithium-Ionen-Akkus und die hohe Lebensdauer geht einher mit einem geringeren Gewicht. Es bleibt also spannend in der Welt der Lithiumbatterien und sie werden uns als Übergangstechnologie sicher noch sehr lange begleiten.
Diese Zellen und Batterien sind wieder aufladbar (Sekundärzelle) und enthalten kein metallisches Lithium, sondern eine Lithiumverbindung (Lithium-Metalloxyd). Die korrektere Bezeichnung wäre Lithium-Ionen-Akkumulator. Das ist ein Oberbegriff für eine Vielzahl von Akkus hergestellt aus verschiedensten Materialien. Das Lithium-Metalloxyd enthält variable Anteile an Nickel, Mangan und Kobalt.
Diese NMC-Materialien haben eine hohe Energiedichte und sind oft die erste Wahl, auch wenn sie teurer und potentiell unsicherer sind als Beispielsweise NiMH-Akkus da sie fast doppelt so viel Energie speichern bei halber Größe und Gewicht. Die Lithium-Ionen-Akkus reagieren allerdings empfindlich auf Tiefentladung, aber auch empfindlich auf Überladungen. Bei Beschädigung des Akkus besteht Brand-, und Explosionsgefahr. Ein Sachgemäßer Umgang und die Verwendung hochwertiger Produkte ist daher ein absolutes Muss. Prüfen Sie genau, ob es sich um ein Originalprodukt des Geräteherstellers handelt oder um eine billigem meist unsichere Kopie.
Die Nennspannung der Lithium-Zellen ist abhängig vom Elektrodenmaterial und liegt bei 3,6 oder 3,7 V. Wegen der höheren Spannung eignen sie sich allerdings nicht als Ersatz für Akkus (1,2 V) und Batterien (1,5 V) in AA- oder AAA-Bauweise.
Sind ebenfalls wieder aufladbar, korrekt heißt es Lithium-Polymer-Akkumulator (kurz: LiPoly oder LiPo) und ist eine Untergruppe von Lithium-Ionen-Akkus. Hier ist das Elektrolyt nicht flüssig, sondern es ist eine Polymerbasis, die in fester oder gelartiger Form vorliegt. Daraus kann eine extrem dünne Schicht als Separator hergestellt werden.
Ein Seperator ist, sehr vereinfacht gesagt, eine Schicht oder Folie, die innerhalb der Batterie die negative (minus) von der positiven (plus) Elektrode trennt, sodass es nicht zu einem Kurzschluss kommt. Der Separator muss jedoch für die Ionen durchlässig sein, damit die elektrochemischen Reaktionen in der Zelle ablaufen können. Man kann sie sich das Wirkungsprinzip wie bei einem Kaffeefilter vorstellen. Ein Separator muss sehr dünn sein, damit der Innenwiderstand möglichst gering ist und eine hohe Packungsdichte erzielt werden kann. Nur so sind gute Leistungsdaten und hohe Kapazitäten möglich. Weitere Funktionen des Separators sind, den Elektrolyten aufzusaugen und bei geschlossenen Zellen den Gasaustausch zu gewährleisten.
Lithium-Polymer-Akkus sind auslaufsicher und man kann auf ein schützendes Metallgehäuse verzichten. Es ergeben sich dadurch noch mehr Bauformen, bei denen Zellen mit 1 Millimeter dicke möglich sind. So lassen sich zum Beispiel Hohlräume in tragbaren Geräten optimal ausnutzen. Etwa bei Wearables und besonders flachen Smartphones.
sind eine Neuheit und bestehen sowohl aus einer Primär- als auch aus einer Sekundärzelle. Die Aufgabe der Primärzelle ist es die Sekundärzelle wieder aufzuladen, nach dem diese einen hohen Stromimpuls abgeben hat. Einsatzgebiete sind GPS-Sender und Tracker, wie z.B. Container-Tracker. Die Sekundäreinheit dieser Tracker erzeugen in regelmäßigen Abständen ein starkes Funk-Signal (GSM Impuls) wodurch Sie wieder aufgeladen werden müssen. Hier treffen hohe Kapazität aber kleinen Strom (welcher für das Signal nicht ausreichen würde) auf kleine Kapazität aber hoher Stromimpuls. Die Primärzelle lädt die Sekundärzelle nach Ihrem Impuls immer wieder auf.
Gefahrgutrechtlich werden Sie den UN-Nummern 3090 LITHIUM-METALL-BATTERIEN und 3091 LITHIUM-METALL-BATTERIEN IN AUSRÜSTUNGEN oder LITHIUM-METALL-BATTERIEN, MIT AUSRÜSTUNGEN VERPACKT zugeordnet. Je nachdem ob Sie eingebaut oder lose befördert werden.