Lithium Ionen Akkumulator: Aufbau, Funktionsweise und Brandschutz
06.05.2026 | S. Horsch – Online-Redaktion, FORUM VERLAG HERKERT GMBH
Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind aus dem Arbeitsalltag nicht mehr wegzudenken – doch ihr Gefahrenpotenzial wird oft unterschätzt. Thermal Runaway, interne Kurzschlüsse und Separatorversagen können zu unkontrollierbaren Bränden führen, die mit konventionellen Löschmitteln kaum zu bekämpfen sind. Erfahren Sie, wie Li-Ionen-Akkus funktionieren, welche Versagensmodi auftreten können und welche Schutzmaßnahmen die DGUV Information 205-041 für Betriebe vorschreibt.
Inhaltsverzeichnis
- Was ist ein Lithium Ionen Akkumulator?
- Aufbau und Komponenten eines Lithium Ionen Akkumulators
- Lithium Ionen Akkumulator Reaktionsgleichung
- Gefahrenpotenzial durch Lithium Ionen Akkumulator und Brandschutz: Risiken kennen
- DGUV Information 205-041: Brandschutz beim Umgang mit Lithium Ionen Batterien
- Fazit
Was ist ein Lithium Ionen Akkumulator?
Ein Lithium-Ionen-Akkumulator – auch Li-Ionen-Akku oder Lithiumionen-Sekundärbatterie genannt – ist ein elektrochemischer Energiespeicher auf Basis von Lithium-Verbindungen. Anders als Primärbatterien, die nach dem Entladen entsorgt werden, lässt sich der Li-Ionen-Akku beliebig oft laden und entladen.
Entgegen einer verbreiteten Annahme tritt metallisches Lithium in modernen Akkumulatoren nicht auf. Stattdessen werden Lithiumionen in das Wirtsgitter eines Trägermaterials eingelagert – ein Vorgang, der als Interkalation bezeichnet wird. Dieses Prinzip gilt für alle gängigen Zelltypen und macht den Li-Ionen-Akku deutlich sicherer als ältere Lithium-Metall-Batterien.
Wie funktioniert ein Lithium Ionen Akkumulator?
Gegenüber anderen Akkumulatortypen zeichnet sich der Lithium-Ionen-Akkumulator durch eine hohe Energiedichte aus, erfordert jedoch in den meisten Anwendungen den Einsatz elektronischer Schutzschaltungen. Die elektrische Energie wird in Lithium-Atomen an der negativen Elektrode sowie in Übergangsmetall-Ionen an der positiven Elektrode chemisch gespeichert. In ionisierter Form kann Lithium durch den Elektrolyten zwischen beiden Elektroden wandern.
Dieser Ionenfluss gleicht den externen Stromfluss beim Laden und Entladen aus und hält die Elektroden elektrisch neutral. Beim Entladen gibt jedes Lithium-Atom an der negativen Elektrode ein Elektron ab, das über den externen Stromkreis zur positiven Elektrode fließt; gleichzeitig wandern ebenso viele Lithiumionen durch den Elektrolyten. An der positiven Elektrode nehmen jedoch nicht die Lithiumionen das Elektron auf, sondern die dort stark ionisierten Übergangsmetallionen – je nach Zellchemie Kobalt-, Nickel-, Mangan- oder Eisenionen. Im entladenen Zustand liegt das Lithium an der positiven Elektrode folglich weiterhin als Ion vor.
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Lade- und Entladevorgang Lithium-Ionen-Akku. © INI Karlsruhe |
Aufbau und Komponenten eines Lithium Ionen Akkumulators
Ein Lithium Ionen Akkumulator besteht aus vier wesentlichen Komponenten:
- Anode (negative Elektrode): Meist aus Graphit gefertigt; die Lithiumionen lagern sich beim Ladevorgang in die Graphitschichten ein
- Kathode (positive Elektrode): Typischerweise aus Lithium-Metalloxid (zum Beispiel Lithiummanganoxid LiMn₂O₄, Lithiumcobaltoxid oder Lithiumeisenphosphat)
- Elektrolyt: Leitet die Lithiumionen zwischen den Elektroden; besteht meist aus einem organischen Lösungsmittel mit Lithiumsalz
- Separator: Eine elektronenundurchlässige Trennwand, die einen direkten Kurzschluss zwischen Anode und Kathode verhindert
Ein zusätzliches Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht kontinuierlich Temperatur, Ladezustand und Stromfluss, um Überladung, Tiefentladung und Überhitzung zu verhindern.
Lithium Ionen Akkumulator Reaktionsgleichung
Am Beispiel des Lithium-Mangan-Akkumulators mit Kathode aus Lithiummanganoxid-Spinell (LiMn₂O₄):
Negative Elektrode beim Entladen (Anode):
LiₓC₆ → x Li⁺ + x e⁻ + C₆
Positive Elektrode beim Entladen (Kathode):
Li(1−x)Mn₂O₄ + x Li⁺ + x e⁻ → LiMn₂O₄
Beim Ladevorgang laufen diese Reaktionen in umgekehrter Richtung ab: Die Kathode gibt Lithiumionen ab, die durch den Elektrolyten zur Anode wandern und dort eingelagert werden. Metallisches Lithium entsteht dabei in keiner der Reaktionen – die Ionen wechseln lediglich zwischen den Elektroden.
Zellvarianten und ihre Eigenschaften
Da „Lithium-Ionen-Akkumulator“ als Oberbegriff eine Vielzahl von Materialkombinationen für Anode, Kathode und Separator umfasst, lassen sich kaum allgemeingültige Aussagen treffen – die Eigenschaften unterscheiden sich je nach Zusammensetzung zum Teil erheblich. Batteriehersteller konnten in den vergangenen Jahren insbesondere in den Bereichen Haltbarkeit und Sicherheit beachtliche Fortschritte erzielen.
Lithium-Polymer-Akku (LiPo): Eine Weiterentwicklung des klassischen Li-Ionen-Akkus, bei der der Elektrolyt nicht flüssig, sondern in Polymerform – also gelartig bis fest – vorliegt. Dies ermöglicht volle Leistung bereits bei Zimmertemperatur und resultiert in einer höheren Energiedichte. Allerdings reagiert der LiPo empfindlich auf Überladung, Tiefentladung sowie zu hohe oder zu niedrige Temperaturen; handelsübliche Ausführungen sind daher grundsätzlich mit einer Schutzschaltung ausgestattet.
Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄): Bei diesen Zellen wurde eine Anomalie im Verlauf der Entladespannungskurve festgestellt, die als „Memory-Effekt“ bezeichnet wird. Dieser ist jedoch nicht mit dem bekannten Memory-Effekt bei NiCd- und NiMH-Akkumulatoren vergleichbar und hat für den Anwender keine direkt nachteiligen Auswirkungen. LiFePO₄-Zellen bieten zudem inhärent höhere thermische Stabilität.
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Gefahrenpotenzial durch Lithium Ionen Akkumulator und Brandschutz: Risiken kennen
Das größte Sicherheitsrisiko beim Lithium Ionen Akkumulator ist der Thermal Runaway – eine selbstverstärkende exotherme Kettenreaktion, bei der freigesetzte Wärme weitere chemische Zersetzungsprozesse in der Zelle initiiert. Typische Auslöseschwellen liegen je nach Zellchemie ab ca. 120 °C, wobei NMC- und NCA-Zellen deutlich empfindlicher reagieren als LiFePO4-Chemien.
Kritisch: Die Lithium-Ionen-Zelle liefert im Brandzustand ihren eigenen Oxidator, was konventionelle Löschstrategien weitgehend wirkungslos macht.
Im Vergleich dazu ist das Gefahrenprofil von Bleiakkumulatoren signifikant geringer – dort dominiert die Schwefelsäure als primäres Gefährdungspotenzial. Während beim Lithium Ionen Akkumulator trotz kontinuierlicher Fertigungsoptimierungen mehrere Versagensmodi parallel auftreten können.
Mechanische und elektrische Versagensmodi
Mechanische Beschädigungen am Lithium Ionen Akkumulator führen häufig zu internen Kurzschlüssen mit hohen Ausgleichsströmen, die eine rasche Erwärmung und gegebenenfalls Entzündung des Gehäusematerials verursachen.
→ Ein mechanischer Defekt ist nicht immer sofort erkennbar – ein interner Kurzschluss kann zeitverzögert auftreten, was besondere Anforderungen an Transport und Lagerung stellt.
Kurzschlüsse – auch werkzeugbedingt bei Montagearbeiten – sind strikt zu vermeiden. Die dabei fließenden Ausgleichsströme können Brände auslösen und zu schweren Verbrennungen führen.
Thermische Belastung und Separatorversagen
Bei erhöhter thermischer Belastung kann beim Lithium-Polymer-Akkumulator der Separator aufschmelzen, was einen internen Kurzschluss mit schlagartiger Energiefreisetzung auslöst. Neuere Entwicklungen adressieren dieses Risiko:
- LiFePO4-Zellen bieten durch ihre Chemie inhärent höhere thermische Stabilität
- Keramische Separatoren erhöhen die Temperaturbeständigkeit signifikant, sind aber noch nicht flächendeckend etabliert
- BMS mit integrierter Spannungsüberwachung, Temperatursensoren und Sicherheitsabschaltung sind Standard für Überlade- und Überlastschutz – Voraussetzung für jeden seriösen Speicheraufbau
Brandbekämpfung und Handhabung im Schadensfall
Brennende Lithium Ionen Akkumulatoren dürfen nicht mit Wasser gelöscht werden – Sand oder Spezialmedien sind zu verwenden.
→ Alles Wissenswerte dazu lesen Sie im Fachbeitrag „Gefahren bei Lithium-Ionen-Akku-Brand: Schadenverhütung und löschen mit Wasser“
DGUV Information 205-041: Brandschutz beim Umgang mit Lithium Ionen Batterien
Für Unternehmen, die Lithium Ionen Akkumulatoren einsetzen, ist die DGUV Information 205-041 das maßgebliche Regelwerk. Die Publikation „Brandschutz beim Umgang mit Lithium Ionen Batterien“ der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) wurde zuletzt im Februar 2024 aktualisiert und umfasst 60 Seiten praxisnahe Hinweise.
Die DGUV Information 205-041 behandelt:
- Grundlagen zu Aufbau und Funktionsweise von Lithium Ionen Batterien
- Beschreibung möglicher Gefahren bei Entwicklung, Herstellung, Verwendung, Entsorgung und Recycling
- Maßnahmen zur Brandverhütung im betrieblichen Alltag
- Anforderungen an Lagerung, Ladeinfrastruktur und Batteriemanagementsysteme
- Vorgehensweisen bei der sicheren Entsorgung und Reinigung nach einem Schadensfall
Brandschutzmaßnahmen im Betrieb
Brandschutz beim Umgang mit Lithium Ionen Batterien ist eine Pflichtaufgabe für jeden Betrieb, der entsprechende Akkumulatoren einsetzt oder lagert. Die wichtigsten Maßnahmen im Überblick:
- fachgerechte Lagerung in zugelassenen Sicherheitsschränken oder Ladeschränken, um Thermal Runaway zu verhindern
- regelmäßige Sichtprüfung aller Akkus auf Verformung, Beschädigung oder Ausgasung
- Einsatz geeigneter Löschmittel: große Mengen Wasser zur Kühlung der betroffenen Zellen – konventionelle Schaum- oder Pulverlöscher sind nicht ausreichend
- Schulung der Mitarbeiter gemäß den Vorgaben der DGUV Information 205-041
- Rauchmeldeanlagen und Brandfrüherkennungssysteme in Lager- und Ladebereichen
- Notfallplan mit klaren Evakuierungs- und Meldewegen
Betriebe, die die Empfehlungen der DGUV Information 205-041 konsequent umsetzen, reduzieren das Brandrisiko durch Lithium Ionen Akkumulatoren erheblich. Brandschutz ist dabei keine Option, sondern eine gesetzliche Pflicht – und eine Investition in die Sicherheit von Mensch und Anlage.
Fazit
Lithium-Ionen-Akkumulatoren erfordern konsequentes betriebliches Risikomanagement. Ihr größtes Gefährdungspotenzial – der Thermal Runaway – macht herkömmliche Löschstrategien weitgehend wirkungslos. Prävention ist daher der einzig wirksame Schutz: Ein funktionierendes Batteriemanagementsystem, fachgerechte Lagerung und geschultes Personal sind Pflicht. Die DGUV Information 205-041 liefert den verbindlichen Rahmen – von der Ladeinfrastruktur bis zur sicheren Entsorgung nach einem Schadensfall.
Quellen: „Ausführungshandbuch für Photovoltaik-Anlagen“; Wikipedia (abgerufen am 6. Mai 2026); DGUV;
