Digital Life
06.10.2016

Warum Smartphone-Akkus explodieren

"Die einzig sichere Batterie hat 0 Volt". Batterie-Experte Michael Buser erklärt, wieso explodierende Akkus von Handys und Notebooks kein Grund für Panik sind.

Ein paar Staubkörner könnten dafür verantwortlich gewesen sein, dass einer der größten Elektronikhersteller der Welt 2,5 Millionen Smartphones zurückrufen musste. In einigen Fällen haben Akkus des Galaxy Note 7 Feuer gefangen und Sachbeschädigungen sowie Verletzung ausgelöst. Als Ursache wurden Konstruktionsmängel bei Akkus ausgemacht, die das Tochterunternehmen Samsung SDI hergestellt hat. Doch was bringt die Akkus zum Brennen und was haben Staubkörner damit zu tun?

Thermal Runaway

Beim Laden/Entladen eines Lithium-Ionen-Akkus, wie er bei den meisten Smartphones verwendet wird, wandern die Lithiumionen innerhalb der Batteriezelle zwischen Pluspol (Kathode) und Minuspol (Anode) hin und her. Beim Laden des Akkus gehen sie von der Kathode zur Anode. Wird das Smartphone verwendet, wandern sie in die andere Richtung.

Die Batteriepole bestehen aus dünnen Folien, die zu einer Batteriezelle aufgewickelt werden. Ein direkter Kontakt zwischen Pluspol und Minuspol wird durch einen Separator verhindert. Dieser besteht aus einer hauchdünnen Kunststofffolie mit einer Dicke im Mikrometerbereich. Wird diese Folie beschädigt, berühren sich Kathode und Anode. Ein innerer Kurzschluss ist die Folge.

Die gespeicherte chemische Energie wird dabei dann nicht als elektrische Energie, sondern als thermische Energie abgegeben. Es entsteht Hitze, die weitere Beschädigungen hervorrufen kann und im schlimmsten Fall eine Kettenreaktion. Dieses explosionsartige Abbrennen der Batterie wird Thermal Runaway genannt.

Staubkorn

Ein Thermal Runaway dürfte auch die Ursache für die brennenden Samsung Galaxy Note 7 gewesen sein. Einige Experten vermuten, dass bei der Herstellung der Akkus für das Smartphone die Anforderungen an die Reinraumbedingungen nicht eingehalten wurden. Laut Michael Buser ist diese Theorie derzeit nur eine Spekulation, könnte aber plausibel sein: „Ein einzelnes Staubpartikel hat unter Reinraumbedingungen die Wirkung eines Felsbrockens in einer Glasmanufaktur. Wenn beim Herstellungsprozess Staubpartikel in die Schichten des Akkus miteingewickelt werden, können diese den Separator trennen.“

Buser ist Geschäftsführer des Risikoberatungsunternehmen Risk Experts und war zuvor jahrelang in der Batterieforschung und Entwicklung tätig. Sein Unternehmen berät ua. die Industrie, die Versicherungswirtschaft, sowie Behörden und Institutionen im Bereich Risikomanagement, Schadenverhütung und Brandschutz und bietet auch Unterstützung bei der Schadensabwicklung.

Erdbeben für den Akku

Schon bei so kleinen Alltagsmissgeschicken ist es möglich, dass der Separator einen mikroskopisch feinen Riss erleidet. „Im Laufe von Tagen oder Wochen kann sich das zu weitläufigen Rissen im Folienmaterial ausweiten. Bei diesem Laufmascheneffekt kann sich die zunächst unbedeutende (weil lokal begrenzte), kurzschlussbedingte Temperaturerhöhung zum Thermal Runaway entwickeln. Deshalb bleiben innere Kurzschlüsse im praktischen Alltagsgebrauch zumeist erst unbemerkt und führen erst beim weiteren Gebrauch zu plötzlichen Brandereignissen."

Dieses Phänomen hat man erstmals bewusst bei den Crashtests von Elektroautos beobachtet. Nach Crashtests waren die Batterien augenscheinlich nicht beschädigt. Mehrere Tage danach begannen aber die geparkten Autos plötzlich von alleine zu brennen. Als Brandursache wurde stets der Akku ausgemacht.

Vorsicht, aber keine Panik

Sollte es dennoch passieren, empfiehlt Buser das Gerät genau zu inspizieren und zu beobachten. Es gäbe nämlich nur wenige Indikatoren, die auf eine beschädigte Batterie hindeuten: „Wenn sich das Smartphone aufbläht, ist es ohnehin schon zu spät.“ Ein eigentümlicher Geruch, der durch entweichende Gase oder schmelzenden Kunststoff entsteht, ist ein deutlicher Hinweis. „Aber bitte nicht direkt daran schnüffeln, da die Gase giftig sein können.“ Alarmiert sollte man sein, wenn sich die Batterie im abgeschalteten Zustand erwärmt oder Schmelzstellen am Kunststoffgehäuse zu sehen sind.

Ohne diese Indikatoren sei es weder für den Hersteller noch für den Fachhändler ohne Weiteres überprüfbar, ob beim Smartphone- oder Notebook-Akku ein Separator beschädigt ist. Wenn ein dringender Verdacht besteht, empfiehlt Buser den vorsichtigen Transport zur Sondermüllsammlung. Das Personal dort sollte wissen, wie mit einem beschädigten umzugehen ist.

Hitze

Bei 70 Grad Celcius beginnt die Selbsterhitzung der Anode. Bestandteile im Akku beginnen zu verdampfen und führen zu Druckaufbau. Damit startet die Kettenreaktion, bei der der Akku immer heißer wird und es schließlich zum Thermal Runaway kommt. Deshalb sollten Geräte mit Akkus nie im Auto liegen gelassen werden, schon gar nicht im Sommer. „Bei Navigationsgeräten gab es bereits mehrere Zwischenfälle. Die Akkus brennen sich durch den Kunststoff des Armaturenbretts, bis hin zum Pkw-Totalschaden“, so Buser.

Überladen

„Neuerdings führen hochwertige Batterien ein Pairing durch. Der Stromfluss wird nur geöffnet, wenn ein geeignetes Ladegerät verwendet wird. Aber manche Kunden werfen den Herstellern diese Sicherheitsmaßnahme vor“, sagt Buser. Apple musste etwa schon öfters Kritik dafür einstecken, dass nur Apple-zertifizierte Ladegeräte mit iPhone und iPad funktionieren.

Für den Endkunden sei aber kaum erkennbar, welche Ladegeräte für welche Akkus geeignet sind. Als Vorsichtsmaßnahme empfiehlt er Nutzern deshalb, ausschließlich Originalladegeräte zu verwenden und das Smartphone beim Laden auf einer nicht brennbaren Oberfläche abzulegen. Dies könnte etwa eine Fliese oder im Notfall auch ein Keramikteller sein. „Das Laden auf brennbaren Untergründen und solchen die Hitze nicht ableiten sollte vermieden werden, wie etwa Decken, weiche Polster oder Stoff. Das Handy beim Aufladen am Bett liegen zu lassen ist keine gute Idee“, so Buser.

Wegwerfen statt löschen

Sollte tatsächlich das Notebook oder Smartphone zu brennen anfangen, reicht es meist nicht ein Glas Wasser zum Löschen darüber zu leeren: „Wasser ist eigentlich ein gutes Löschmittel für Akkubrände. Es verdampft, wodurch das hohe Wasserdampfvolumen den Sauerstoff verdrängt und freigesetzte Wärme bindet. Aber da Notebooks und Smartphones meist sehr dicht gebaut sind, ist die Chance gering, dass genug Wasser zur Zündquelle, in diesem Fall den Akku, kommt, um diesen ausreichend zu kühlen“, sagt Buser.

Die häufig einzige Alternative sei, das Gerät kontrolliert abbrennen lassen: „Wenn man das Gerät noch anfassen kann, dann sollte man es nach draußen in einen ungefährdeten Bereich bringen. Wenn es schnell gehen muss: Raus aus dem Fenster damit, wenn niemand unten steht“, sagt Buser.

Ähnliches gelte für einen Akkubrand bei Elektroautos. „Der Handfeuerlöscher hilft hier nicht, lieber abbrennen lassen und weit genug weg gehen, damit man nicht die giftigen Brandgase einatmet, die entstehen.“ Damit die Feuerwehr Erfolg beim Löschen hat, benötigt sie „viel Wasser, ganz früh. Der Fahrzeugbrand muss so stark abgekühlt werden, dass der Thermal Runaway unterbrochen wird.“

Kein 100-prozentiger Schutz

Für Kunden sei es zudem schwierig, da es keine Siegel oder Zertifikate gibt, die verlässlich etwas über die Sicherheit einer Batterie aussagen. Die Minimalempfehlung sei Markenprodukte zu kaufen, weil „die großen Hersteller einen guten Namen verlieren könnten und darauf achten, das nichts passiert.“ Denn das wirkt sich negativ auf die Bilanz aus: An der Börse verlor Samsung wegen der aktuellen Rückrufaktion kurzeitig um über zehn Milliarden US-Dollar. Die eigentliche Umtauschaktion könnte Experten zufolge eine weitere Milliarde US-Dollar kosten.

Allerdings ist das auch wieder das beste Beispiel dafür, dass die Marke alleine keine vollständige Sicherheit gibt. „Hersteller wechseln auch im Lebenszyklus der Produkte ihre Lieferanten. Wenn ich heute etwas kaufe sehe ich als Kunde zwar was außen am Gerät steht, aber nicht was drin ist.“

E-Mobilität als Herausforderung

Der Trend hin zu Elektromobilität bringe aber auch neue Herausforderungen. „Wenn überall Batterieladestationen in privaten Garagen und an jeder Straßenecke stehen, müssen sich in Zukunft neue Berufsgruppen mit der Batteriesicherheit auseinandersetzen. Das sollte schon in die Planung miteinbezogen werden.“ Dazu gehören etwa Architekten, Städtplaner, Elektroinstallateure, Energielieferanten und Netzbetreiber.