Das Aufblähen von Lithiumbatterien ist ein kritisches Problem bei Geräten, die von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen reichen. Dieses Phänomen beeinträchtigt nicht nur die Batterieleistung, sondern wirft auch ernsthafte Sicherheitsbedenken auf, wie z.B. Auslaufen, Brände oder Explosionen. Das Verständnis der Ursachen für das Aufquellen von Lithiumbatterien ist für Hersteller und Nutzer von entscheidender Bedeutung, um die Risiken zu minimieren und die Lebensdauer der Batterien zu verlängern. Dieser Artikel untersucht die wissenschaftlichen, betrieblichen und umweltbedingten Faktoren, die hinter diesem Phänomen stehen, und stützt sich dabei auf Daten und Forschungsergebnisse. Informationen darüber, wie Sie aufgequollene Lithiumbatterien entsorgen können, finden Sie in diesem Artikel: Wie Sie aufgequollene Lithiumbatterien entsorgen？
Häufige Ursachen für Anschwellen der Lithium-Batterie
1. Zersetzung des Elektrolyten und Gasbildung
Die Zersetzung des Elektrolyten ist eine der Hauptursachen für das Aufquellen von Lithiumbatterien. In einer Lithium-Ionen-Zelle ist der Elektrolyt für den Transport der Lithium-Ionen zwischen Kathode und Anode während der Lade- und Entladezyklen verantwortlich. Unter normalen Betriebsbedingungen läuft dieser Prozess reibungslos ab. Wenn die Batterie jedoch Stressfaktoren ausgesetzt wird - wie z.B. Hochspannung, Überladung oder erhöhte Temperaturen - beginnen die organischen Lösungsmittel im Elektrolyten (z.B. Ethylencarbonat) zu zerfallen.
Dieser Abbau führt zur Bildung verschiedener Gase, darunter Kohlendioxid (CO₂), Wasserstoff (H₂) und Methan (CH₄). Forschung weist darauf hin, dass diese Gase bis zu 60% des Gasaufbaus in gealterten Zellen ausmachen können, was erheblich zum Innendruck beiträgt. Der Druckaufbau verursacht nicht nur eine physische Ausdehnung der Zelle, sondern beeinträchtigt auch die strukturelle Integrität des Batteriegehäuses. In schweren Fällen kann dies zu Entlüftung, Auslaufen oder sogar zum thermischen Durchgehen führen, bei dem die Batterie unkontrolliert Hitze erzeugt. Außerdem können Verunreinigungen oder Schadstoffe im Elektrolyt diese Nebenreaktionen beschleunigen und die Situation weiter verschlimmern.
2. Lithiumbeschichtung und Dendritenwachstum
Lithiumplattierung tritt auf, wenn sich Lithiumionen, anstatt gleichmäßig in das Anodenmaterial (typischerweise Graphit) einzulagern, auf der Anodenoberfläche als metallisches Lithium ablagern. Dies ist besonders häufig bei Überladung oder Schnellladung bei niedrigen Temperaturen der Fall, wo eine reduzierte Ionenmobilität die Ionen daran hindert, sich richtig in die Elektrodenstruktur einzubetten.
Mit der Zeit können sich diese metallischen Ablagerungen zu Dendriten entwickeln - nadelartige kristalline Strukturen, die lang genug wachsen können, um die Trennwand zwischen Anode und Kathode zu durchstoßen. Wenn Dendriten diese Barriere durchdringen, erzeugen sie interne Kurzschlüsse, die zu lokalen Hotspots führen und unerwünschte chemische Reaktionen innerhalb der Zelle weiter beschleunigen. Bei diesen Reaktionen entstehen oft zusätzliche Gase und Wärme, die beide zur Schwellung beitragen. Die mit der Dendritenbildung verbundenen Sicherheitsrisiken sind besonders akut, da sie zu katastrophalen Ausfällen wie Bränden oder Explosionen führen können, wenn der interne Kurzschluss stark genug ist.
3. Mechanische Belastung und Herstellungsfehler
Die strukturelle Integrität eines Lithium-Ionen-Akkus hängt stark von der Präzision des Herstellungsprozesses ab. Selbst kleine Unvollkommenheiten - wie leichte Fehlausrichtungen der Elektroden, Verunreinigungen oder Unstimmigkeiten in der Elektrodenbeschichtung - können als Schwachstellen in der Zelle dienen. Bei wiederholten Lade- und Entladezyklen (die oft als "Atmung" der Batterie bezeichnet werden) werden diese Schwachstellen mechanisch belastet.
Diese kontinuierliche mechanische Belastung kann zur Entstehung von Mikrorissen oder Delaminationen in den Elektrodenschichten führen. Wenn sich diese Defekte ausbreiten, bilden sie Kanäle, in denen sich Gase ansammeln können, die durch die Zersetzung des Elektrolyten oder andere Nebenreaktionen entstehen. In der Tat, Studien haben darauf hingewiesen, dass mikroskopisch kleine Herstellungsfehler für 15-20% der bei kommerziellen Batterien beobachteten Schwellungen verantwortlich sein könnten. Die Verbesserung der Fertigungspräzision und der Qualitätskontrolle ist daher entscheidend, um diese Risiken zu minimieren und die langfristige Zuverlässigkeit der Batterien zu gewährleisten.
4. Überladung und Überentladung
Der Betrieb von Lithium-Ionen-Batterien jenseits ihrer vorgeschriebenen Spannungsgrenzen ist eine der Hauptursachen für die Degradation. Durch die Überladung wird ein Überschuss an Lithiumionen in die Anode gepresst, was zu einer Reihe von Problemen führen kann, darunter strukturelle Verformung, erhöhter Innenwiderstand und beschleunigter chemischer Abbau des Elektrolyten. Dieser übermäßige Zustrom von Lithium-Ionen belastet das Anodenmaterial und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Nebenreaktionen, bei denen Gas entsteht.
Umgekehrt kann eine Überentladung ebenso schädlich sein. Wenn die Batteriespannung unter einen kritischen Schwellenwert fällt, kann die Kathodenstruktur beeinträchtigt werden und irreversible Schäden an den Elektrodenmaterialien entstehen. Sowohl Überladung als auch Überentladung stören das empfindliche Gleichgewicht der internen Chemie der Batterie. Daten von der IEEE Power & Energy Society zeigt, dass selbst eine geringe Überladung - nur 5% - die Wahrscheinlichkeit einer Schwellung um 40% bei Standard-LiCoO₂-Akkus erhöhen kann. Diese anormalen Betriebsbedingungen ebnen auch den Weg für ein thermisches Durchgehen, bei dem die Batterie überhitzen und unkontrolliert anschwellen kann, was ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko darstellt.
5. Hohe Temperaturen und schlechtes Wärmemanagement
Die Temperatur spielt eine entscheidende Rolle für den Zustand und die Stabilität eines Lithium-Ionen-Akkus. Bei Betriebstemperaturen über ca. 45°C werden viele der chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie beschleunigt. Eine besonders empfindliche Komponente ist die Festelektrolyt-Zwischenschicht (SEI) auf der Anode. Diese Schutzschicht, die sich bei den ersten Zyklen auf natürliche Weise bildet, beginnt sich bei hohen Temperaturen zu zersetzen. Wenn die SEI zerfällt, wird die Elektrode nicht nur einer weiteren Zersetzung ausgesetzt, sondern es wird auch zusätzlicher Elektrolyt verbraucht, was zu einer weiteren Gasbildung führt.
Geräte mit schlechtem Wärmemanagement - sei es durch unzureichende Kühlsysteme in Elektrofahrzeugen, Laptops oder anderen elektronischen Geräten - sind besonders anfällig. Ohne ordnungsgemäße Wärmeableitung kann die Temperatur des Akkus schnell ansteigen, was die Abbauprozesse verschlimmert und zum Anschwellen führt. In extremen Fällen kann die Kombination aus hohen Innentemperaturen und schneller Gasentwicklung zu einem thermischen Durchgehen führen, was das Risiko eines Brandes oder einer Explosion erheblich erhöht.
6. Alterung und Kapazitätsschwund
Wie alle wiederaufladbaren Systeme unterliegen auch Lithium-Ionen-Batterien mit zunehmendem Alter einer allmählichen Verschlechterung. Über Hunderte von Zyklen hinweg nimmt die Leistung des Akkus unweigerlich ab - ein Phänomen, das als Kapazitätsschwund bekannt ist. Dies ist größtenteils auf den kontinuierlichen Abbau der Elektroden zurückzuführen: Die Kathode kann im Laufe der Zeit aktives Material verlieren, während die SEI-Schicht auf der Anode dicker wird, was die Effizienz des Lithium-Ionen-Transports verringert.
Wenn die Batterie altert, erhöht sich der Innenwiderstand, was zu einer zusätzlichen Wärmeentwicklung beim Laden und Entladen führt. Diese Wärme beschleunigt die Nebenreaktionen, bei denen Gase entstehen, weiter und trägt so zum Aufquellen bei. Ein Bericht von Batterie Universität aus dem Jahr 2022 stellt fest, dass nach etwa 500 Zyklen das Risiko einer Schwellung aufgrund dieser kumulativen Degradationseffekte um 20-30% ansteigen kann. Das Ungleichgewicht zwischen den sich verschlechternden Elektroden verringert nicht nur die Gesamtkapazität der Batterie, sondern macht sie auch anfälliger für Sicherheitsprobleme, einschließlich Schwellungen und möglichem Versagen, wenn der Degradationsprozess unkontrolliert bleibt.
Fazit
Das Aufquellen von Lithiumbatterien ist das Ergebnis komplexer Wechselwirkungen zwischen chemischen Reaktionen, Betriebsbedingungen und Herstellungsqualität. Jeder dieser Faktoren - ob chemisch, mechanisch oder thermisch - wirkt sich auf die Langlebigkeit und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien aus. Das Verständnis dieser Mechanismen ist entscheidend für die Entwicklung verbesserter Batteriedesigns, die Implementierung effektiver Wärmemanagementsysteme und die Gewährleistung der allgemeinen Sicherheit und Zuverlässigkeit von Geräten, die auf diese Energiespeichersysteme angewiesen sind. Indem sie sich mit Faktoren wie der Elektrolytstabilität, dem Wärmemanagement und der Spannungskontrolle befassen, können die Hersteller die Risiken mindern und die Sicherheit erhöhen. Für die Verbraucher bedeutet das Verständnis dieser Ursachen eine bessere Handhabung und Langlebigkeit der Batterien.
