Akkutechnologie Wie Batterien im Testlabor auf Herz und Nieren geprüft werden

Autor / Redakteur: Dr. Christian Recker * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Lithium-Zellen verdrängen zunehmend herkömmliche Akkus. Allerdings müssen sie strenge Tests und Prüfungen durchlaufen, um potenzielle Gefahren beim Einsatz und beim Transport zu minimieren.

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Das Batterien-Testlabor in Dettingen: In ihm sind umfangreiche elektrische und mechanische Tests und Prüfungen möglich – für spezielle Anwendungen, projektorientiert und nach UN 38.3 Transport- oder IEC 62133 Gebrauchsnorm
Das Batterien-Testlabor in Dettingen: In ihm sind umfangreiche elektrische und mechanische Tests und Prüfungen möglich – für spezielle Anwendungen, projektorientiert und nach UN 38.3 Transport- oder IEC 62133 Gebrauchsnorm
(Bild: DYNAMIS)

Hochleistungs-Lithium-Akkus bieten zwar eine höhere Energiedichte als klassische Akkusysteme wie Blei-Säure oder Nickel-Cadmium oder Metallhydrid – was allerdings nicht nur Vorteile bringt. So sind Lithium-Akkus aufgrund ihrer feineren Bauweise, z.B. wegen dünnerer und chemisch reaktiverer Materialien, bei Beschädigungen deutlich anfälliger für Kurzschlüsse. Die daraus resultierenden Gefahren müssen begrenzt werden. Deshalb verwendet man heute Batterie-Managementsysteme unterschiedlichster Bauart – von einfachen Schutzbeschaltungen bis hin zu komplexen, strombalancierenden und einzelne Zellen überwachenden Minicomputern. Auch für herkömmliche Akkus wie Blei-Säure- oder die Alkalilaugen enthaltenden Nickel-Akkus mussten seit jeher bestimmte Tests für den Transport durchgeführt werden, etwa nach der IATA-Vorschrift A67 mit einer entsprechenden Verpackungsvorschrift. Auch in diesen Fällen wurde geprüft, was bei höherer Rüttelbelastung und im Vakuum mit dem Akku geschieht, wenn er z.B. versehentlich kopfüber verladen worden ist. Bei Akkus, die in Kunststoffgefäßen reaktive flüssige Chemikalien enthalten spielen auch beispielsweise von Gabelstaplern hervorgerufene Beschädigungen eine große Rolle.

Unterschiedliche Gefahrenpotenziale bei verschiedenen Bauformen

Kleinere Akkus in solider Bauweise: Bei Rundzellen in verkrimpten oder verschweißten Stahlgefäßen ist die mechanische Beschädigung relativ unwahrscheinlich
Kleinere Akkus in solider Bauweise: Bei Rundzellen in verkrimpten oder verschweißten Stahlgefäßen ist die mechanische Beschädigung relativ unwahrscheinlich
(Bild: DYNAMIS)
Für Lithium-Akkus stellen sich die Gefahrenpotenziale etwas anders dar. Bei kleineren Akkus in solider Bauweise, etwa Rundzellen in verkrimpten oder verschweißten Stahlgefäßen, ist eine mechanische Beschädigung unwahrscheinlicher als bei den mechanisch sehr empfindlichen Lithium-Polymer-Akkus, sofern diese ohne zusätzliches Gehäuse verschickt oder verwendet werden.

Ventile und eine flexible Hülle verringern Risiken

Lithium-Polymer-Akkus: sind mechanisch sehr empfindlich, sodass eine mechanische Beschädigung droht, wenn sie ohne zusätzliches Gehäuse verschickt oder verwendet werden
Lithium-Polymer-Akkus: sind mechanisch sehr empfindlich, sodass eine mechanische Beschädigung droht, wenn sie ohne zusätzliches Gehäuse verschickt oder verwendet werden
(Bild: DYNAMIS)
Je nach Bauart verfügen solche Zellen über Ventile, die einen Überdruck ablassen können oder eine flexible Hülle, die eine gewisse Gasbildung auffangen kann. Ebenso ist das relative Gefahrenpotenzial, z.B. von Eisenphosphat-Akkus geringer als das von Co-Mn-Ni-Oxid-Akkus, und zwar nicht nur wegen der unterschiedlichen Energiedichte, sondern auch wegen der chemischen Materialeigenschaften.

Dennoch bleibt in solchen Akkus auf Lithium-Basis das Material vergleichbar reaktiv und kann bei allen denkbaren missbräuchlichen Situationen eine Gefahr darstellen. Warnungen vor solchen Missbräuchen sind umfangreich und von jedem Hersteller zu bekommen, z.B. über ein Material Safety Data Sheet (MSDS). Das Risiko bleibt dennoch bestehen.

Prüfvorschriften minimieren Risiken

Um die Risiken je nach Situation ein zu gruppieren, wurden Prüfvorschriften für den entsprechenden Bereich generiert, wie z.B. für den Transport die UN 38.3 (rev. 5 gültig seit Januar 2013) und den Gebrauch die IEC 62133. Beide Vorschriften enthalten einige einander ähnliche Einzeltests, jedoch an die vermutete Gefahrensituation durch Parameter angepasst. Dabei ist der Transporttest nach UN 38.3 als sequentieller Test sehr anspruchsvoll, denn er simuliert Bedingungen wie Lufttransport im nicht-druckausgeglichenen Frachtraum und wechselnde Temperaturen über eine Differenz von 110 °C in weniger als 30 Minuten.

In der Neufassung der IEC 62133 von 2012 wurden die speziellen Eigenschaften der Lithium-Batterien genauer berücksichtigt und die dort enthaltenen Tests spezifischer gefasst, einige sogar

gestrichen. Diese Gebrauchstest-Vorschrift enthält nun sogar Empfehlungen für die Bauweise von Lithium-Batteriepacks (design recommendations). Darüber hinaus findet man aber auch eine vergleichsweise einfache Fallprüfung, die beim Transporttest nicht notwendig ist. Neu eingebunden ist hier der Querverweis auf die UN 38.3, sodass in dieser Fassung sozusagen der gesamte Weg der Batterie erfasst wird.

Beim Transport ergänzen dann die Vorschriften der jeweiligen Organisation für die Transportart diese Prüfung, wie z.B. bei der IATA die Fallprüfung für die Lithiumbatterien in der zugelassenen Verpackung für den Lufttransport.

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