Elektro- und Hybridfahrzeuge

Batteriebrand: Was tun ?

Die POWERTECH International GmbH bittet Ihnen das passende System!

Je höher die Energiedichte bei Batterien und Akkus, desto größer die Feuergefahr. Brände von lithiumhaltigen Zellen verlaufen anders als »normale« wie etwa von ausgelaufenem Benzin. Inzwischen sind die Löschtechniken und Mittel zur Verhinderung mit unserem POWERTECH International Brandbekämpfungssystem weit vorangeschritten.

Lithium-Ionen-Akkus sind gefährlich: Immer wieder geraten Zellen plötzlich in Brand. Im Bereich der Energiespeicher ist das ein neues Phänomen, denn im Gegensatz zu den »klassischen« Batterie-Typen mit Elektrolyten auf Wasserbasis verwenden sie organische Lösungsmittel – sprich Kohlenwasserstoffe –, die fast so entzündlich sind wie Benzin. Elektrobusse, Elektroautos sowie E-Baumaschinen sind schon in Flammen aufgegangen. Doch nicht nur Akkus sind betroffen, auch die nicht wieder aufladbaren Primärzellen können in Brand geraten.

Um derartige Fälle zu verhindern, wird mittlerweile intensive Forschung bei POWERTECH International betrieben! Dabei sind nicht nur die von selbst ausgebrochenen Brände Gegenstand akribischer Untersuchungen. Stattdessen werden auch absichtlich erzeugte Brände unter kontrollierten Bedingungen in abgesicherter Umgebung untersucht, um die einzelnen Vorgänge und die Erfolge verschiedener Löschmethoden zu studieren. Die in den Versuchslabors durchgeführten Tests werden bewusst schwierig gestaltet.

Die in Lithium-Systemen aller Art gespeicherte Energie kann sehr unterschiedliche Größenordnungen haben: von nur ein paar Wattstunden in Smartphones über einige Kilowattstunden in Elektroautos bis zu vielen Megawattstunden in Speichern zur Stützung des Stromnetzes. Wobei zu bedenken ist, dass auch eine sehr kleine in Brand geratene Zelle ein Großfeuer auslösen kann.

Vielfältige Feuerursachen

Der häufigste Auslöser für einen Brand ist eine Überhitzung von einer oder mehreren Zellen. Zum Beispiel kann bei einem Unfall zwischen einem Elektroauto und einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ausgelaufener Treibstoff in Brand geraten und so die Batterie erhitzt. Unter Umständen genügt jedoch auch schon starke Sonneneinstrahlung, wenn gleichzeitig das Kühlsystem versagt. Wird die Zelle zu heiß, kann – ab etwa 150 °C – der Separator schmelzen und ein innerer Kurzschluss entstehen. Die dadurch immer heißer werdende Zelle erhitzt die Nachbarzellen, was zum thermischen Durchgehen, auch Thermal Runaway, des gesamten Batteriesystems führen kann. Dabei können Temperaturen von mehr als 600 °C entstehen.

Wahrscheinlicher ist allerdings eine Überhitzung direkt im Inneren der Batterie, beispielsweise durch das Versagen des Batteriemanagementsystems (BMS). Normalerweise schützt das BMS die Batterie vor schädlichen Betriebsbedingungen. Durch einen Defekt in der Elektronik kann es jedoch zur Überladung kommen – mit gefährlichen Folgen. Ebenso zerstörerisch ist eine zu hohe Stromentnahme und erst recht – bei Versagen der meist eingebauten Sicherung – ein »harter« Kurzschluss, bei dem etliche tausend Ampere fließen können.

Aber auch das andere Extrem birgt hohe Risiken. Beim Laden einer durch Tiefentladung geschädigten Lithium-Ionen-Zelle kann die zugeführte Energiemenge durch das Fehlen von Elektrolytflüssigkeit nicht mehr in Form von chemischer Energie gespeichert werden, und die Ladeenergie wird zu Wärme. Außerdem scheiden sich gelöste Kupfer-Ionen aus dem Stromableiter in Form von Nadeln, auch Dendriten genannt, auf dem Graphit der Anode ab. Sie können die Separatorfolie durchstechen und einen Kurzschluss herbeiführen.

Eine weitere Brandursache ist eine mechanische Beschädigung einer Zelle – etwa durch einen Unfall eines Elektroautos, oder nach Ende der Nutzung auf dem Weg ins Recycling bei unsanftem Umgang. Bei der Sammlung sind deshalb strenge Sicherheitsvorschriften zu beachten. Nutzlos sind diese, wenn Verbraucher ihre meist noch funktionsfähigen und lediglich veralteten Handys in den Hausmüll werfen. Nachweislich kam es auch schon vor, dass sie in der Altpapiertonne gelandet sind und am Ende in der Papierpresse einen Schwelbrand auslösten.

Besonders bei hohen Strömen besteht die Gefahr, dass sich die Lithium-Ionen als metallisches Lithium in Form von Dendriten auf der Anode abscheiden, anstatt sich im Graphit wieder einzulagern, wiederum mit Kurzschlussgefahr.

Eine weitere Gefahr geht von gefälschten Akkus und Ladegeräten aus, die häufig nicht den entsprechenden Sicherheitsvorschriften entsprechen.

Was genau passiert beim Brand?

Die einzelnen Typen verhalten sich bezüglich Sicherheit durchaus unterschiedlich. Besonders gefährlich ist der Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator, auch Li-CoO2- Akku, der auch für die Samsung-Vorfälle verantwortlich war und mittlerweile stark rückläufig ist. Eine gute Alternative ist die NMC-Zelle mit Mischkathode aus Nickel, Mangan- und Kobaltoxid, die eine höhere Energiedichte erreicht. Am sichersten ist die LFP-Zelle (Lithium-Eisenphosphat), allerdings haben diese eine deutlich geringere Energiedichte. Bei den Zellen ist der feuergefährlichste Bestandteil der Elektrolyt. Als Lösungsmittel dient eine Mischung aus verschiedenen organischen Carbonaten, alle mit niedrigem Flamm- und Siedepunkt. Graphit ist Kohlenstoff; bei Pouch-Zellen ist außerdem die Kunststoffeinhüllung brennbar.

Geraten die Zellen tatsächlich in Brand, können sie durch Verhinderung von Sauerstoffzutritt erstickt werden. Anders ist es bei der exothermen Reaktion der Elektrodenmaterialien untereinander – diese ist nicht löschbar. Bei hohen Temperaturen zersetzen sich die kathodischen Metalloxide unter Sauerstoffabgabe, wodurch – ohne äußere Luftzufuhr – der Elektrolyt, das Graphit einschließlich des eingelagerten Lithiums und auch das Aluminium aus der Kathodenzuleitung für längere Zeit brennen können. Um das zu stoppen, hilft nur starke Kühlung. Explosionsgefahr besteht auch durch nach außen dringenden Graphitstaub.

Bei der Erhitzung der Zelle verdampft zunächst der Elektrolyt. Es bildet sich hoher Druck, die Zelle bläht sich stark auf, bis die heißen Gase – im wesentlichen Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Fluorwasserstoff, Wasserstoff – durch vorgesehene Überdruckventile oder aber durch unkontrolliertes Bersten der Außenhülle ausströmen. Außer Vergiftungs- besteht auch Explosionsgefahr, dabei können feste Materialien, Teile von Zellgehäusen oder Metalloxide, die ebenfalls toxisch sind, herumfliegen.

Je niedriger der Ladestand einer Zelle, desto geringer die Folgen bei Brand. Aber Achtung: Auch eine scheinbar entladene Zelle enthält noch viel Energie. Sie kann im Versagensfall etwa das 6- bis 10-fache der entnehmbaren elektrischen Energie in Form von thermischer Energie freisetzen. Die Reaktion eines Thermal Runaways lässt sich von außen nicht unterbrechen und endet innerhalb kurzer Zeit mit einem Zellbrand, der innerhalb von Sekunden zu einer vollständigen Zerstörung führen kann.

Löschen eines Lithium-Ionen-Akkus mit unserem POWERTECH International GmbH Brandbekämpfungssystem.

Zusammen mit dem Hersteller Dr. Sthamer (Hamburg) und dem Fraunhofer Institut, haben wir nun das passende spezielle Löschmittel mit unserem und dazugehörigen abgestimmtem System für Sie entwickelt !

Anfragen unter : info@powertech-international.com

Unsere Lösungen:

Indirektes Brandbekämpfungssystem

Die POWERTECH Detektionsleitung bei einem direkten System, hat eine zweifache Funktion.

Sie detektiert den Brand, nach einer Auslösung, und löscht diesen auch gleichzeitig!

Direktes Brandbekämpfungssystem

Die POWERTECH Detektionsleitung dient bei einem indirekten System, rein zur Branderkennung.

Die Löschung erfolgt über eine separate Sprühleitung mit speziellen Düsen.

Vorteile unserer Systeme

Die POWERTECH International GmbH Brandbekämpfungssysteme zeichnen sich besonders durch folgende Eigenschaften aus: