Wieso Batterien Feuer fangen

Unser ganzes Leben lang haben wir uns auf Batterien verlassen, sei es bei Handys, Autos oder Taschenlampen. Aber das Vertrauen in Technik hat sich in letzter Zeit verschlechtert. Viele Fluggäste mussten ihr Samsung Galaxy Note 7 abgeben, weil deren Batterien als Brandrisiko gelten, während die, die in Gepäckfächern gelassen wurde, zu Verspätungen und Angst bei den Reisenden geführt hat.

Diese Batterien waren vermutlich die Abhilfe für ein vorheriges Design, von dem 2,5 Millionen Einheiten im September zurückgerufen wurden als auch für sie ein zu hohes Brennrisiko galt. Andere Handy-Batterien waren auch anfällig für Brände.

Währenddessen haben Fluglinien vor einigen Monaten Hoverboards verboten. Das lag ebenfalls daran, dass deren Batterien als Brandrisiko galten. Außerdem sehen wir hunderte von Fällen, in denen Batterien in elektrischen Fahrzeugen brennen, gerade in China. Was ist der Grund für diesen ganzen Ärger?

Neu und überall zu haben: Lithium

Die Geschichte beginnt in den frühen 90er Jahren mit der Einführung von Lithium-Ionen Batterien als ein gebräuchlicher Bestandteil in Handys und anderen Geräten. Lithium ist ein leichtes Metall-Element, das weniger giftig ist als vorherige Batterie-Materialien wie Cadmium oder Blei. Anders als frühere Wegwerfbatterien können sie normalerweise tausende Male wieder aufgeladen werden.

Die andere clevere Innovation bei Lithium-Ionen-Akkus liegt im detaillierten kompakten strukturellen Design der mehrschichtigen Batterie. Das optimiert die Wege der Wärmeleitung und die softwaregesteuerte Kontrolle des Stromsystems, das die Zellen (normalerweise) vor übermäßigem Laden und Entladen schützt.

Dieses Design wurde dank enormen Investments in diese Technologie in Mitte der 90er Jahre immer weiter entwickelt. Die Energiedichte, die die Zellen erreichen, ist von 100 Kilowattstunden auf 2710 Kilowattstunden angestiegen. Das bedeutet, dass man sehr viel mehr Energie auf kleinerem Raum zur Verfügung hat. Das war natürlich entscheidend für den Fortschritt moderner Verbraucherelektronik, bei der Größe und Gewicht des Geräts kritische Verkaufspunkte sind.

Aber mit mehr Energie geht auch mehr Hitze einher. Wenn es innerhalb einer Batterie zu heiß wird, werden Verpackung und der physische Raum für Ausdehnung zu immer kritischeren Aspekten. Der Wettlauf um eine immer bessere Produktproduktion und darum, Marktanteile von Rivalen zu gewinnen, hat eine enorme Menge an Produktion benötigt. Es scheint, dass den Fragen nach dem Aufheizungsprozess zu wenig Aufmerksamkeit zuteil wurde und dass neue Produkte auf den Markt kamen, die nicht vollständig getestet wurden.

Daraus sind Batterien entstanden, bei denen es bei plötzlicher Reibung oder externer Hitze zu spontanen Explosionen führen kann. Das führt nicht nur zu Schaden an dem Gerät selbst, sondern setzt manchmal auch die Umgebung in Brand. Vor ungefähr einem Jahrzehnt haben wir bereits ähnliche Probleme bemerkt, aber jetzt häufen sich die Fälle – offensichtlich mit einem möglichen desaströsen Ausgang für die Unternehmen.

Aus Sicht des Verbrauchers gibt es viele mögliche Lösungen: man könnte geringere Akkulaufzeiten akzeptieren, das Gerät öfter aufladen oder aus Prinzip solch eine fortschrittliche Technologie erst später anwenden. Die Wartezeit würde heutzutage nur ungefähr sechs Monate betragen.

In Zukunft sicher sein

Man könnte sich fragen, ob hier noch weitere Gefahren schlummern. Die Antwort ist leider: ja, tun sie. Batterien werden für viele Geräte für Anwendungen im größeren Rahmen produziert, wie beispielsweise Batterieparks für zukünftige Wohngebiete oder sogenanne smarte Städte. Diese Batterieparks könnte man nutzen, um die Stromversorgung zu gewährleisten, Notfallvorräte bereitzustellen und Strom von Quellen wie Windparks zu speichern, die nicht durchgehend Strom produzieren können.

Das Konzept ist sehr gut durchdacht. Verschiedene Systeme benutzen Redox-Flussbatterien, die entweder Lithium oder Vanadium enthalten und bereits benutzt werden, um Wohngebiete in den USA und Europa mit Strom zu versorgen. Beispielsweise hat die kleine Stadt Braderup in Norddeutschlad ein System, das 2 Megawatt Strom produziert und 2 Megawattstunden speichern kann – ungefähr drei Stunden Leistung einer durchschnittlichen Windturbine. Im Bundesstaat Washington wird das System benutzt, um Labore mit Strom zu versorgen.

China war in diesem Bereich führend. Aktuell wird von experimentellen Einrichtungen bei Zhanbei, einer Stadt bei Peking, berichtet, die Systeme von 14 Megawatt testet und kürzliche angekündigt hat, eine einzige 500 Megawattstunden Einrichtung zu errichten. Damit sollen im Jahr 2020 ganze 64 Gigawatt Strom durch China verteilt werden – genug für etwa 50 Millionen Haushalte.

Das Problem ist, dass die pure Intensität und Größenordnung von Strom in solchen Parks potentielle Gefahren ernsthafter Explosionen und auch Brandrisiken birgt. Wenn wir solche Konsequenzen verhindern wollen, müssen die Designer von den kleineren Batterien lernen. Hohe Aufmerksamkeit beim Testen und umfangreiche Testläufe werden essenziell sein.

Neben diesen Risiken müssen wir im Hinterkopf haben, dass Batterien viele Ressourcen verbrauchen. Die hohen Kosten, die beim Wiederverwenden und Recyceln von Batterien aufkommen, werden ebenfalls ebenso zu angesprochen. Die eigentliche Aufgabe ist es, Wege zu finden, wie Strom ganz ohne Batterien gespeichert werden kann. Das ist aber eine ganz andere Geschichte.

Dieser Artikel erschien zuerst auf „The Conversation” unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.


Image “Battery” by Master Tux (CC0 Public Domain)


 

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Prof. Richard Andrew Williams

Prof. Richard Andrew Williams

ist Schulleiter und Vize-Kanzler der Heriot-Watt Universität in Edinburgh. Seine akademische Forschung widmet er Themen wie Energiesystemen, dem chemischen und mineralischen Ingenieurswesen und der Sensorik.

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