Sven Bauer: „Der einzige Schutz vor ... unerwünschten Effekten sind neben der gebotenen Sorgfalt beim Umgang mit diesem Material umfangreiche Testreihen, bei denen alle  möglichen Transportrisiken vorab im Labor simuliert werden.“ Foto: BMZ

Sven Bauer: „Der einzige Schutz vor … unerwünschten Effekten sind neben der gebotenen Sorgfalt beim Umgang mit diesem Material umfangreiche Testreihen, bei denen alle möglichen Transportrisiken vorab im Labor simuliert werden.“ Foto: BMZ

Ihre eigenen Produkte auf Herz und Nieren prüfen lassen können Hersteller und Anbieter von Lithium-Ionen-Zellen/-Akkus im neuen Testlabor, das die batteryuniversity.eu mit Unterstützung des BMZ Batterien-Montage-Zentrum in Karlstein in Betrieb genommen hat.

In der Einrichtung, eine der modernsten ihrer Art in Europa, lassen sich Zellen bei 0 bis 5 V mit bis zu 10/120 A sowie Akkus bei 0 bis 60 V mit bis zu 200 A beziehungsweise bis 12 kW testen. Batteryuniversity.eu bietet darüber hinaus auch die Durchführung kompletter UN-Transport-Tests inklusive fachlicher Unterstützung bei einem eventuell notwendigen Re-Design des Akku-Packs und der Ausstellung der für den Transport von Lithium-Ionen-Zellen beziehungsweise Akkus mit den notwendigen Gutachten und Zertifikate an.

Verschärfte Transportvorschriften

Laut batteryuniversity.eu-Gründer und BMZ-Geschäftsführer Sven Bauer habe man sich zu diesem Schritt nicht zuletzt wegen der seit dem 1. Januar 2009 deutlich verschärften Transportvorschriften für Lithium-Ionen-Zellen und -Akkus entschlossen. Dass diese von manchen Herstellern, Anbietern und Transporteuren trotz der inzwischen hinlänglich bekannten Risiken beim Transport und der Lagerung von Lithium-Akkus nach wie vor wissentlich oder unbewusst ignoriert werden, hält Bauer im wahrsten Sinne des Wortes für brandgefährlich: „In Pulver- oder Staubform kann sich Lithium bereits bei Raumtemperaturen von rund 20 °C selbst entzünden. Als festes Material entzündet sich Lithium an der Luft zwar erst mit Erreichen des Schmelzpunktes von 179 °C, aber wenn dieser Punkt erst einmal erreicht ist, entwickelt sich auch hier schnell ein nicht löschbarer metallischer Brand mit Temperaturen von über 2000°C.“

Sehr heftig reagiert Lithium bekanntlich auch bei einem Kontakt mit Wasser: Es geht nicht unter, sondern schwimmt auf der Wasseroberfläche umher – und zwar unter Bildung von leicht brennbarem Wasserstoffgas und stark ätzendem Lithiumhydroxid. Bauer betont, dass es durch die Entzündung des Wasserstoffes in geschlossenen Räumen leicht zu Explosionen kommen könne. Zudem löse das Wasser Lithiumhydroxid und nehme dessen ätzende Eigenschaften an. „Der einzige Schutz vor diesen unerwünschten Effekten sind neben der gebotenen Sorgfalt beim Umgang mit diesem Material umfangreiche Testreihen, bei denen alle möglichen Transportrisiken vorab im Labor simuliert werden“, so Bauer.

Sicherheitsstandards und Regelungen

Bereits seit 2003 sind alle Lithiumzellen und -batterien unabhängig vom System und vom Lithiumgehalt auf spezielle, verbindlich vorgeschriebene Sicherheitsstandards zu testen. Ohne diesen qualifizierten Testnachweis dürfen diese Akkumulatoren grundsätzlich nicht in den Verkehr gebracht werden.

Seit Beginn des Jahres 2009 sind nun für den Transport von Lithium-basierten Zellen und Batterien zahlreiche neue Regelungen zu beachten. So sind jetzt Lithiumzellen und -batterien generell als Gefahrgut der Klasse 9 eingestuft. Darüber hinaus haben sich zum Teil auch die Vorschriften für Anmeldung, Verpackung, Kennzeichnung, Handling und Begleitpapiere erheblich geändert. So wird nun zum Beispiel zwischen Lithium-Ionen- und Lithium-Metall-Batterien/-Zellen unterschieden. Entscheidend ist auch, wie und in was die jeweilige Zelle beziehungsweise Batterie verpackt wurde.

UN-Versandbezeichungen

Wie komplex die gesamte Thematik inzwischen ist, zeigt sich in der Tatsache, dass hierfür insgesamt sechs neue UN-Versandbezeichnungen mit neuen Nummern vergeben wurden: UN 3480 für Lithium-Ionen-Batterien (inklusive Lithium Polymer), UN 3481 für Lithium-Ionen-Batterien mit Ausrüstungen verpackt, UN 3481 für Lithium-Ionen-Batterien in Ausrüstungen, UN 3090 für Lithium-Metall-Batterien (inklusive Batterien aus Lithium-Legierung), UN 3091 für Lithium-Metall-Batterien mit Ausrüstungen verpackt und UN 3091 für Lithium-Metall-Batterien in Ausrüstungen.

Zulassung zum Transport

Generelle Voraussetzung für die Zulassung von Lithiumzellen und/oder -batterien zum Transport ist jedoch immer der Nachweis der erfolgreichen Prüfungen gemäß den UN „Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, Manual of Test and Criteria“ Teil III, Abschnitt 38.3. Dabei spielt es erst einmal keine Rolle, ob eventuell Freistellungen in Anspruch genommen werden können oder die Zellen/Batterien als Klasse-9-Güter eingestuft sind und somit die gefahrgutrechtlichen Bestimmungen in Gänze eingehalten werden müssen.

Investitionen in den Transporttest

Um alle erforderlichen UN-Transport-Tests für Lithiumzellen- und -batterien komplett durchführen zu können, investierte batteryuniversity.eu mit Unterstützung durch die BMZ bislang rund 1,2 Mio. Euro in Personal und Laborausstattung – ein Aufwand, der sich für Unternehmen, die sich nicht ausschließlich mit der Herstellung oder Konfektionierung von Akku-Packs beschäftigen, kaum jemals amortisieren dürfte. Derzeit hat das Unternehmen primär mit kleineren Li-Ionen-Packs zu tun, aber die Präsenz von BMZ/batteryuniversity.eu beispielsweise auf der Messe eCarTech in München zeigte, wo der Trend der Dienstleistungen dieses Firmenbündnisses hingeht.

Sven Bauer betont, dass es vielen Betroffenen an nötigem technischem Detailwissen für solche Tests mangelt. Um die Sicherheit von Akku-Packs beurteilen zu können, bedürfe es nämlich langjähriger praktischer Erfahrung mit den unterschiedlichen Lithium-Ionen-Technologien. Was passiert, wenn diese fehlt, hätten umfangreiche Versuchstestreihen mit Fremdprodukten gezeigt: „Über 10 Prozent der überprüften Akkus entsprachen nicht den aktuellen gesetzlichen Sicherheitsanforderungen. Wir reden hier nicht nur von bis zu 50.000 Euro Strafe, die bei Kontrollen fällig werden können. Im Schadensfall müssen die verantwortlichen Personen auch damit rechnen, dass sie wegen grob fahrlässiger Sachbeschädigung, Körperverletzung oder im schlimmsten Fall sogar Tötung zur Verantwortung gezogen werden.“ Wer dieses möglicherweise existenzbedrohende Risiko nicht eingehen wolle, für den gebe es letztlich zu den gesetzlich vorgeschriebenen aufwendigen Testroutinen de facto keine Alternative, so Bauer.

Acht oder sechs Testreihen

Vorgeschrieben sind acht Testreihen für Lithiumzellen und sechs Testreihen für Lithiumbatterien. Für die sechs in einer bestimmten Reihenfolge durchzuführenden Testreihen an Lithiumbatterien sind zwischen 16 und 24 serienreife Akkupacks erforderlich.
Als erstes erfolgt die Simulation eines Druckabfalls in einem Flugzeug. Dafür werden die Prüfzellen oder Akkus unter einem Druck von 11,6 kPa (115 mbar) oder weniger für mindestens sechs Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 20° ± 5°C gelagert. Die Prüfung ist wie auch bei dem zweiten, dritten und vierten Test bestanden, wenn es bei den Zellen und Batterien zu keinem Massenverlust, keinem Leck, keiner Entlüftung, keiner Zerlegung, keinem Aufbrechen und keinem Feuer kommt und wenn die Leerlaufspannung jeder Prüfzelle oder Batterie nach der Prüfung nicht kleiner als 90% der Spannung ist, die sie direkt vor diesem Verfahren hatte.

2. Test

Der zweite Test überprüft die Unversehrtheit der Dichtung und die internen elektrischen Verbindungen bei schnellen und extremen Temperaturänderungen. Dafür werden die Prüfzellen und Prüfbatterien mindestens sechs Stunden bei einer Temperatur von 75 °C ±2 °C gelagert, anschließend innerhalb von maximal 30 Minuten auf – 40 °C ±2 °C abgekühlt und bei dieser Temperatur wiederum mindestens sechs Stunden aufbewahrt. Nach zehnmaliger Wiederholung der Prozedur bleiben die Prüflinge nochmals 24 Stunden lang bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C ±5 °C unter Beobachtung. Großzellen und Großbatterien sollen den extremen Prüftemperaturen mindestens 12 Stunden ausgesetzt werden.

3. Test

Verschiedene Schwingungen während des Transports simuliert der dritte Test. Die auf der Platte der Schwingungseinrichtung gesicherten Zellen oder Batterien werden dafür innerhalb von 15 Minuten logarithmisch von 7 auf 200 Hz und wieder zurück auf 7 Hz in sinusförmiger Schwingung gebracht – ein Zyklus, der sich innerhalb von drei Stunden für jede der drei zueinander senkrechten Montagepositionen der Zelle zwölfmal wiederholt.

Stoßtest

Eine besondere Herausforderung vor allem für größere Akkupacks ist der Stoßtest, der unter anderem einen Fall aus großer Höhe simuliert. Zuerst werden die Zellen oder Batterien mit einer festen Montageeinrichtung gesichert, die alle Montageflächen des Prüflings abstützt. Danach folgen insgesamt 18 halbsinusförmige Stöße aus verschiedenen Richtungen mit einer Spitzenbeschleunigung von 150 g und einer Impulsdauer von 6 ms. Bei Großzellen und -batterien beträgt die Spitzenbeschleunigung 50 g und die Impulsdauer 11 ms.

5. Test

Besondere Sicherheitsvorkehrungen erfordert der bei 55 °C ±2 °C Gehäusetemperatur und weniger als 0,1 Ohm Gesamtaußenwiderstand provozierte externe Kurzschluss-Test. Zellen und Batterien erfüllen diesen Test, wenn während der mindestens einstündigen Kurzschluss- und der anschließenden sechsstündigen Beobachtungsphase die äußere Temperatur 170 °C nicht übersteigt und keine Zerlegung, kein Bruch und kein Feuer auftreten.

Überladetest

Der Überladetest dient schließlich der Überprüfung der diversen Schutzmechanismen im Akkupack. Dafür werden acht Packs mit dem zweifachen zulässigen Ladestrom und dem 1,2fachen (Packs <18 V) beziehungsweise doppelten der empfohlenen Ladespannung oder 22 V (Packs >18 V) 24 Stunden überladen und danach sieben Tage beobachtet. Die lange Beobachtungszeit soll ausschließen, dass es auf Grund von internen Kurzschlüssen in den Zellen zu einem Feuer kommt, wenn der Akku einige Zeit vor dem Transport überladenen Akkus wurde.

Erst mit dem Nachweis der bestandenen sechs Testreihen sind Lithium-Akkupacks für den Transport zugelassen. Lithiumzellen müssen zusätzliche Tests bestehen: die Schlagprüfung und die erzwungene Entladung

„Erleichterter Transport“

Für Lithium-Ionen-Akkupacks mit einer Leistung bis 100 Wh beziehungsweise -Zellen bis 20 Wh und Lithium-Metall-Akkupacks mit einem Lithiumgehalt bis 2 g beziehungsweise Zellen bis 1 g existiert eine sogenannte „Freistellungsregelung“, auch „erleichterter Transport“ genannt. Unter Einhaltung der Sondervorschrift 188 und 230 des ADR/RID, ADNR, IMDG-Code sowie der Verpackungsvorschriften 965-970, Teil 2 der IATA Gefahrgutvorschriften unterliegt die Beförderung dieser Lithiumzellen und -batterien nicht den übrigen Vorschriften und Bestimmungen.

Um zum erleichterten Transport zugelassen zu werden – also ohne den Vorschriften der Gefahrgutverordnung in vollem Maße zu genügen – müssen Sendungen unter anderem ein spezielles Hinweisschild auf der Verpackung mit einer Notfall-Telefonnummer gekennzeichnet werden. In den Begleitdokumenten muss angegeben werden, dass das Packstück Lithium-Ionen- beziehungsweise Lithium-Metall-Batterien/Zellen enthält, dass bei Beschädigung Entzündungsgefahr besteht, dass im Falle einer Beschädigung besondere Vorkehrungen einzuhalten sind und dass bei Bedarf auch eine Prüfung und Umverpackung durchzuführen ist.

Bei Überschreitung der Freigrenzen (20 Wh / 100 Wh beziehungsweise 1 g / 2 g Lithiumgehalt) müssen Lithium-Ionen-Zellen und -Batterien immer als Gefahrgut der Klasse 9, Verpackungsklasse II gemäß den Verpackungsvorschriften transportiert werden.

Fazit

Auf die OEMs und die Zulieferer kommt somit noch einiger logistischer Aufwand zu, und so manche Frage ist noch zu klären, um die bestmögliche Transportsicherheit zu gewährleisten. “100prozentige Sicherheit kann es beim Transport von Lithium-Ionen-Akkupacks nie geben“, gesteht Sven Bauer ein. „Aber wir haben mit unserem Testlabor zumindest die Voraussetzungen geschaffen, um diesem Ziel möglichst nahe zu kommen.“ (av)