Ich recherchiere gerade für ein Umbauprojekt (mein Bakfiets soll elektrisch werden) die ganze Thematik erneut. Fast wöchentlich muss man in den Medien über schwere Wohnungsbrände lesen, die mutmaßlich durch Akkus ausgelöst werden. So richtig verstehen tue ich es allerdings nicht.
Hochwertige und sehr verbreitete Zellen bei europäischen Produkten sind z.B. die Samsung 35E welche selbstverständlich hohe Anforderungen erfüllen müssen, wie z.B.:
Safety
9.1 Overcharge Test
Test method: To charge the standard charged cell with 12V and 3C(10.2A) at 23°C for 7 hours.
Criteria: No fire, and no explosion.
Overcharge test shall be performed with the UL1642 standard
9.2 External Short-circuit Test
Test method: To short-circuit the standard charged cell by connecting positive and negative terminal by less than 80±20mΩ wire for 3 hours.
Criteria: No fire, and no explosion.
9.3 Reverse Charge Test
Test method: To charge reversely the standard discharged cell with charge current 3,400mA for 1.5 hours.
Criteria: No fire, and no explosion.
9.4 Heating Test
Test method: To heat the standard charged cell at heating rate of 5°C per minute up to 130°C and keep the cell in oven for 10 minutes.
Criteria: No fire, and no explosion
Also kurz gesagt, werden die Zellen übelst behandelt und dürfen trotzdem nicht explodieren. Warum brennen dann trotzdem Akkus?
Die meisten Brände treten bei Pedelecs und Scootern auf, die im Bereich von 24-48V Spannung betrieben werden. Die Nominalspannung einer 18650 Rundzelle beträgt 3,6V, weshalb man diese in Serie schalten muss, um auf hohe Spannungen zu gelangen.
Also für 36V wären es 10 solcher Akkus – alle folgenden Werte gelten NUR FÜR DIE 35E Zelle – hintereinander. Um dann auch ausreichend Energie zu haben, werden Zellen parallel geschaltet, also sagen wir 5 Stück * 10 = 50 Zellen. Wenn eine Zelle eine Kapazität von 3450 mAh hat, dann sind wir hier bei 3450*5 = 17,250Ah bei 3.6 V respektive bei 3450*5*10 = 17,250 Ah bei (3*10 = 36 V).
Zellen unterliegen einem Lade- und Entladelimit sowohl bei der Spannung (2,65V bis 4,2V), als auch beim Strom (max 2A laden, max 8A entladen, max 13A temporär). Da Laden wie Entladen verlustbehaftet ist, wird Energie auch in Form von Wärme freigesetzt, wenn die Limite überschritten werden. Große Hitze könnte einen thermal runawasy auslösen, also eine wärmeinduzierte Kettenreaktion, bei der das Material feuer fängt und explodiert. Blöderweise auch ohne verfügbaren externen Sauerstoff.
Wir haben also die Parameter geklärt, eigentlich dürfe nichts passieren? Warum brennt es also doch?
Die komplette Steuerung der Ladung und Entladung findet in einem BMS statt, einem Battery Managemnt System, das im Akku verbaut ist und o.g. Limite überwacht und ggf. Nutzung oder Ladung unterbindet. Dieses BMS ist aber ein SPOF, ein single point of failure, ein Kurzschluss aus welchen Gründen auch immer, kann durchaus dafür sorgen, dass Zellen über die Grenzen der Sicherheit geladen oder entladen werden.
Dann gibt es noch ein sekundäres Problem: Die Ladestärke in Ampere ist pro Zelle beschränkt, z.B. auf 2A. Auch hier kann eine Parallelschaltung mehr Leistung aufnehmen, bei 5 Zellen in einer Stufe wären es dann schon 10A. Dieser Wert ist in den Ladegeräten festgelegt, definiert quasi deren Leistungsfähigkeit. Es gibt keine Kommunikation zwischen den Zellen und dem BMS, bis auf proprietäre Systeme.
Beispiel:
Ein beispielhaftes Pedelec-Akku-System gibt es mit einem 3P und einem 5P-Akku, der maximale Ladestrom bei 3P ist 6A und bei 5P 10A, zum Zellschutz und Haltbarkeit halbiert man die Werte. Die Akkus sollen austauschbar und kompatibel sein, d.h. mit identischem Steckersystem. Jedoch soll ein Ladegerät für die 5P-Variante auch die 3P-Variante sicher laden. Hier greifen Hersteller dann zu Tricks, z.B. einer Datenleitung, die den Akku identifiziert und die Stromstärke begrenzt.
Passiert dies nicht, würden die Zellen überhitzen, ein gutes BMS erkennt die Wärmeentwicklung und schaltet ab, wartet bis die Temperatur okay ist, und beginnt von neuem. Dieses An/Aus-Geschalte und die Wärmeentwicklung sind allerdings sehr schlecht und können durchaus für Langzeitschäden sorgen. Billigste Systeme verfügen aber nicht über eine „ID“-Datenleitung und BMSe mit mehreren Temperaturfühlern. Wenn dann noch minderwertige Zellen eingesetzt werden, kann es zu einem Brand führen.
Auch eine physische Beschädigung der Zellen sorgt dafür, dass die Limite nicht eingehalten werden können. Penetration, Druckstellen, starke Vibrationen können die Isolierschicht in einer Zelle beschädigen, was zu einem Kurzschluss führen kann und das thermische Durchgehen startet.
Die Wärmeentwicklung bringt dann die nächste Zelle zum Durchgehen, bis schließlich der ganze Akkupack abgebrannt ist. Da ein einzelnes Durchgehen nicht zu stoppen ist, besteht die einzige Chance zur Brandbekämpfung im Kühlen der benachbarten Zellen. Ein Schaumfeuerlöscher oder gar Wasser können dies nicht leisten. Ein Wasserbad sorgt für weitere Kurzschlüsse.
Eine mögliche Lösung scheint Blähglas zu sein, aus Altglas gewordener „Glas-Sand“, der schmilzt:
Das Material ist relativ günstig, wenn man sich die Kiste woanders beschafft.