Lithium-Ionen-Akkumulatoren und mögliche Gefährdungen für Beschäftigte

Lithium-Ionen-Akkumulatoren befinden sich mittlerweile nicht nur in Smartphones oder Laptops, sondern begleiten Arbeitnehmende auch vermehrt auf dem Weg zur Arbeit bei der Benutzung von ­E-Bikes, E-Rollern oder Elektrofahrzeugen. Zudem werden immer mehr Arbeitsmittel elektrifiziert und über einen Akku betrieben.

Mit der stetig steigenden Anzahl an Akkus in Betrieben steigt auch das Risiko eines Unfalls, welcher durch einen Brand oder eine Havarie eines Akkus ausgelöst wird. Hierbei spielt nicht nur das Brandereignis selbst eine zunehmende Rolle, auch die freigesetzten Gefahrstoffe sind zu berücksichtigen.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator besteht im Kern aus sechs Hauptteilen:

• negativ geladene Elektrode (Anode)
• positiv geladene Elektrode (Kathode)
• Separator
• Elektrolyt
• Stromleiter (externer Anschluss)
• Gehäuse (nicht dargestellt in Abb. 1)

Wird der Akkumulator nun geladen, lagert die Anode, basierend auf einer Kohlenstoffverbindung wie zum Beispiel ­Graphit, Lithium-Ionen ein, während die Kathode, zumeist ­bestehend aus einem Lithium-Metalloxid, diese abgibt. Innerhalb einer Zelle verhindert ein Separator den direkten Kontakt zwischen den beiden Elektroden. Die Lithium-Ionen können aber durch den Separator von einer Elektrode zur anderen wandern, weil dieser meist aus einem porösen Polymerfilm wie Polyethylen oder Polypropylen aufgebaut ist. Das Elektrolyt dient als Transportmedium für die Lithium-Ionen, die sich im Elektrolyten frei bewegen können.

Für den Ladevorgang oder den Anschluss eines elektrischen Verbrauchers werden Stromleitungen benötigt, welche die Elektroden mit der externen Peripherie verbinden. In der ­Regel sind die Anschlusspunkte für die Stromleiter die einzigen elektrisch leitfähigen Verbindungsmöglichkeiten an einem Akkumulator. Um den Akkumulator vor äußeren Einflüssen zu schützen, wird meist jede einzelne Zelle durch ein isolierendes Gehäuse umschlossen.

Der Vorteil bei Akkumulatoren gegenüber normalen Batterien ist nun, dass der elektrochemische Prozess, welcher beim ­Ent- oder Aufladen stattfindet, reversibel ist und so der Akkumu­lator mehrfach verwendet werden kann.

Gerade bei den handgehaltenen Arbeitsmitteln lassen sich viele Defekte an Akkumulatoren auf einen falschen Umgang zurückführen.

Einsatzgebiete von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Lithium-Ionen-Akkus werden mittlerweile in vielen unterschiedlichen Arbeitsmitteln verwendet. Sie zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte in Kombination mit einer hohen Lebens­dauer aus. Zudem weisen sie im Vergleich zu anderen Akkumulatoren ein geringes Gewicht auf, was sie für viele, gerade handgehaltene Anwendungen in der Arbeitswelt interessant macht. Hierbei halten Lithium-Ionen-Akkus nicht nur Einzug in fast alle mobilen Endgeräte – wie Tablets, Smartphones und Laptops – sie werden auch vermehrt im Bereich der kabellosen Powertools – wie Akkuschrauber, Heckenscheren oder Ketten­sägen – eingesetzt. Hierbei kommen meist ganze Werkzeugsets eines Herstellers, die mit einem Akkutyp betrieben werden können, zum Einsatz. Gerade bei den handgehaltenen Arbeitsmitteln lassen sich viele Defekte an Akkumulatoren auf einen falschen Umgang zurückführen. Hierbei stehen mechanische Beschädigungen durch Stürze oder einen sehr robusten Umgang an erster Stelle, dicht gefolgt von den elektrischen Gefährdungen beim unsachgemäßen Laden oder dem Laden von vorgeschädigten Zellen.

In der Elektromobilität werden Lithium-Ionen-Akkus in modular aufgebauten Batteriepacks verwendet, die aus mehreren in Reihe und parallel geschalteten Einzelzellen bestehen. Je nach Anwendung kommen unterschiedliche Zellchemien, wie zum Beispiel Lithium-Eisenphosphat (LFP), Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) oder Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA) zum Einsatz, um Anforderungen an Energiedichte, Leistungsabgabe, Sicherheit und Lebensdauer zu optimieren. Gerade bei E-Bikes und E-Rollern ist der sachgemäße Umgang sehr wichtig, um ­mechanische Beschädigungen zu vermeiden.

Auch für stationäre Klein- und Großspeicher kommen Lithium-Ionen-Akkus aufgrund ihrer hohen Lebenserwartung und dem guten Kosten-Nutzen-Verhältnis vermehrt zum Einsatz. Hierbei werden die Großspeichersysteme meist für nachhaltig erzeugten grünen Strom genutzt, dienen insbesondere zur Lastverschiebung und Netzstabilisierung und tragen so ihren Teil zur angestrebten Energiewende bei. Die richtige Wahl des Aufstellungsortes anhand der Herstellerspezifikation spielt bei solchen Speichersystemen eine wichtige Rolle, weil Änderungen im Nachhinein kaum mehr möglich sind. Weil viele Prozesse autark ablaufen, ist der Faktor Mensch bei solchen Systemen eher untergeordnet zu betrachten. Er muss aber im Falle des Austausches von Zellen, der Wartung oder des Abbaus als Teil der Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden.

Ein Überladen kann durch den Einsatz von intelligenten Batteriemanagementsystemen verhindert werden, die mittlerweile in vielen Akkus oder Ladegeräten integriert sind.

Mögliche Risiken von Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Überladen

Ein Lithium-Ionen-Akkumulator kann beim Ladeprozess ­überladen werden, hierbei wird die maximal zulässige Zellspannung überschritten und es laufen unerwünschte elektrochemische Nebenreaktionen ab. Währenddessen wird ele­mentares Lithium an der Anode abgeschieden und es kommt zu einer erhöhten Gasbildung, die meist mit einer exothermen Reaktion, also einem Temperaturanstieg, einhergeht. Ein Überladen des Akkumulators führt somit zu einem oft dauerhaften Kapazitätsverlust und kann zu einem „Aufblähen“ oder sogar zu einem Thermal Runaway (thermisches Durchgehen) der Zelle führen. Hierbei kann es zu einer Havarie der Zelle kommen oder es tritt ein gefahrstoffbelastetes Gasgemisch aus, welches sich im schlimmsten Fall entzündet. Ein Überladen kann durch den Einsatz von intelligenten Batteriemanagementsystemen verhindert werden, die mittlerweile in vielen Akkus oder ­Ladegeräten integriert sind. Zudem empfiehlt es sich, für den Ladeprozess aufeinander abgestimmte Komponenten (origi­nale Akkus und ein Ladegerät) zu verwenden.

Tiefenentladung

Werden Lithium-Ionen-Akkumulatoren längere Zeit nicht benutzt und ohne jegliche Verwendung gelagert, kann es zu einer Tiefenentladung des Akkus kommen. Dies kann zu einem Zersetzen des Elektrolyten und zu irreversiblen Schäden im Inneren der Zelle führen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass der Separator beschädigt wird, was interne Kurzschlüsse in der Zelle zur Folge hat und beim Wiederaufladen zu einer erhöhten Brandgefahr führen kann.

Mechanische Beschädigungen

Mechanische Beschädigungen treten zumeist dann auf, wenn der Akkumulator unsachgemäß und nicht nach Angaben des Herstellers verwendet wird. Ein Beispiel hierfür wäre der Einsatz in einer Applikation, wo mit größeren Vibrationen oder Stößen zu rechnen ist (Straßenverkehr, fahrerlose Transportfahrzeuge, etc.), der Akku hierfür aber gar nicht ausgelegt wurde. Zudem können mechanische Beschädigungen durch ein Herabfallen des Akkus oder bei einem Unfall verursacht werden. Hierbei besteht zum einen die Gefahr, dass das Gehäuse beschädigt wird und Elektrolyt austreten kann. Zum anderen kann es zu internen, nicht direkt erkennbaren Beschädigungen kommen, welche sich über einen längeren Zeitraum nicht bemerkbar machen. Wird zum Beispiel der Separator beschädigt, kann es zu einem internen Kurzschluss zwischen Anode und Kathode kommen. Hieraus resultiert dann meist eine starke Eigenerwärmung der Zelle und eine erhöhte Gas­bildung, was wiederum zu einem Aufblähen der Zelle und im schlimmsten Fall zu einem Gasaustritt mit Brandfolgen führen kann.

Thermische Beanspruchung

Bei der Verwendung eines Akkumulators müssen die vom Hersteller angegebenen Verwendungsbedingungen eingehalten werden. Gerade der Einsatz bei zu hohen Umgebungstemperaturen kann zu einer thermischen Überlastung der Zelle führen. Gleiches gilt für zu schnelle oder dauerhafte Temperaturwechsel, wenn diese nicht herstellerseitig freigegeben sind. Bereits ab einer Temperatur von 80 Grad Celsius beginnt die Lithium-Ionen-Zelle sich innerlich zu zersetzen. In den genannten ­Fällen wird die Zelle meist dauerhaft beschädigt, womit die Gefahr einer ­Havarie oder eines Brandes der Zelle gerade bei Ladevorgängen ansteigt.

Batteriemanagementsysteme (BMS)

In nahezu allen größeren Akkumulatoren oder dazugehörigen Ladesystemen müssen sogenannte intelligente Batteriemanagementsysteme (BMS) verbaut sein. Diese überwachen zum einen den sicheren Betrieb des Akkumulators und zum anderen den Ladevorgang. Hierbei werden verschiedene Parameter wie Zellentemperatur, Spannung und Ladezustand erfasst und bei irregulären Zuständen die jeweilige Aktion unterbunden sowie gegebenenfalls eine Warnung ausgegeben. Das BMS trägt somit dazu bei, den Lithium-Ionen-Akkumulator vor dem Über- oder Tiefenentladen sowie vor einer Überhitzung zu schützen und so die Lebensdauer zu erhöhen und die Leistung zu optimieren. Zudem vermindert das BMS die Gefahr eines Akkubrandes oder einer Havarie und reduziert somit das Risiko eines gefährlichen Zustands der Zelle.

Verschiedenste Untersuchungen und Projekte zeigen, dass es bei einer Havarie oder einem Brandereignis mit Akkumulatoren zur Freisetzung von toxischen, korrosiven und teilweise explosionsfähigen Gasen kommt.

Expositionen bei Brandereignissen

Verschiedenste Untersuchungen und Projekte zeigen, dass es bei einer Havarie oder einem Brandereignis mit Akkumula­toren zur Freisetzung von toxischen, korrosiven und teilweise explosionsfähigen Gasen kommt.^[1] Für die Zusammensetzung und die freigesetzte Menge des Gasgemisches spielen die ­verwendete Zellchemie, die Größe der Zelle sowie der Ladezustand des Akkumulators eine wichtige Rolle. Je höher der Ladezustand eines Akkus ist, desto größer ist die Menge der austretenden Gasgemische. Für die Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind die Hauptbestandteile der freigesetzten Gas­gemische in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt.

Neben der Freisetzung von gasförmigen Gefahrstoffen werden auch partikuläre Gefahrstoffe freigesetzt, die sich während und nach einer Havarie oder dem Brand eines Akkumulators in der Umgebung verteilen. Hierbei konnten bereits verschiedene Schwermetalle, etwa Kobalt, Nickel und Mangan sowie Graphitpartikel und fluorhaltige Rückstände, nachgewiesen werden.^[2] Es zeigt sich also, dass nicht nur das Brandereignis an sich, ­sondern auch die spätere Entsorgung des Akkumulators und die Reinigung oder Entsorgung der exponierten Gegenstände in der Umgebung eine potenzielle Gefährdung darstellen ­können.

Gefährdungsbeurteilung und Unterweisungen

Wird ein Akkumulator als Arbeitsmittel verwendet, muss die Verwendung in der arbeitsplatzbezogenen Gefährdungsbeurteilung betrachtet werden. Hierbei sind nicht nur der reine Betrieb des Arbeitsmittels, sondern auch das Wechseln, Laden, Lagern, die Außerbetriebnahmen sowie die Entsorgung zu berücksichtigen. Sobald ein Akkumulator beschädigt ist, darf dieser so lange nicht mehr verwendet werden, bis sichergestellt ist, dass keine Gefahr mehr von ihm ausgeht. Eine Klärung dieses Sachverhalts kann oft nur durch den oder zusammen mit dem Hersteller des Akkumulators vorgenommen werden.

Zudem sollte das Thema Akkusicherheit beziehungsweise der sichere Umgang mit Akkumulatoren ein fester Bestandteil der wiederkehrenden Unterweisungen des Betreibers sein. Hierbei sollte der sachgerechte Umgang mit den Akkumulatoren über alle Lebensphasen hinweg beschrieben werden. Weiterhin sollten Betriebe beschreiben, unter welchen Voraussetzungen ein sicheres Laden stattfinden kann und welche Maßnahmen im Falle einer Havarie oder eines Brandes zu treffen sind. Gerade bei einer größeren Anzahl an Akkumulatoren oder Akkumulatoren mit hohen Speicherdichten empfiehlt es sich, diese in ein Brandschutzkonzept mit einzupflegen und gegebenenfalls Rücksprache mit der örtlichen Feuerwehr zu halten.

Fazit

Lithium-Ionen-Akkumulatoren werden auch zukünftig vermehrt in der Arbeitswelt eingesetzt werden und helfen dabei, Arbeitsmittel portabler zu gestalten und Arbeitsprozesse zu verbessern. Der Umgang mit solchen Akkumulatoren birgt jedoch einige Herausforderungen, über die der Verwender aufgeklärt werden muss. Der sachgemäße Gebrauch steht dabei an erster Stelle und kann dazu beitragen, viele Gefährdungen gar nicht erst entstehen zu lassen. Ein pfleglicher Umgang mit den akkubetriebenen Arbeitsmitteln und ein sicherer Ladeprozess helfen dabei, das Risiko eines Brandes oder einer Havarie zu reduzieren oder gar gänzlich zu vermeiden.