Lithium-Ionen-Batterien sind klein, leicht, wieder aufladbar und haben eine höhere Speicherkapazität sowie Energiedichte als andere Batterien. Aufgrund dieser Vorteile werden sie zunehmend in unterschiedlichsten Bereichen verwendet, in Werkzeugen und Gartengeräten, als Energielieferanten für Elektroautos und Hybridfahrzeuge und zukünftig vermehrt als Speicher für Solaranlagen. Unter bestimmten Gegebenheiten ist diese Art von Batterie jedoch ein ernstzunehmendes Brandrisiko.

Das Ausmaß eines Batteriebrands hängt von der freigegebenen potentiellen Energie ab. Diese gesamte potenzielle Energie wird von Faktoren wie der elektrischen Energie (Kapazität), dem Ladestatus (SOC – State of Charge) und der brennbaren Belastung (Batteriegehäuse und Verpackungsmaterial) beeinflusst. Aufgrund ihrer hohen Leistungskapazität und der zunehmenden Energiedichte stellen Lithium-Ionen-Batterien eine besondere Herausforderung für den Brandschutz dar – einschließlich des thermischen Durchgehens oder der Zündung des brennbaren Elektrolyten in Lithium-Ionen-Batterien.

Gefahren beim thermischen Durchgehen

Das thermische Durchgehen bezeichnet die Überhitzung einer exothermen chemischen Reaktion aufgrund eines sich selbst verstärkenden, Wärme produzierenden Prozesses. Ein Durchgehen bewirkt in der Regel die Zerstörung der technischen Apparatur durch einen Überdruck und führt in der Folge zu einer Explosion oder zu einem Brand. Dieser Prozess kann mit fast allen Batteriearten auftreten, hat jedoch ein stärkeres Schadenausmaß je höher die Leistungskapazität einer Zelle ist. Somit besteht bei Lithium-Ionen-Batterien eine besonders akute Brandgefahr.

Verschiedene Faktoren, wie die Zellkapazität und die chemische Zusammensetzung, beeinflussen die Wahrscheinlichkeit des thermischen Durchgehens. Am wahrscheinlichsten ist die chemische Reaktion während oder unmittelbar nach dem Ladevorgang der Batterie. Ein geringerer Ladezustand (weniger als 50%) verringert die Wahrscheinlichkeit, dass ein Zellversagen zu einem thermischen Durchgehen führt.

Im Gegensatz zu anderen Batterien ist der Elektrolyt in Lithium-Ionen-Batterien zündfähig. Bei einem Versagen der Batteriehülle kann Lithium mit Sauerstoff reagieren und eine exotherme Reaktion verursachen. Ein Versagen einer Batteriezelle kann sowohl durch interne Faktoren (z.B. elektrischer Missbrauch, Herstellungsfehler) als auch externe Faktoren (z.B. unabhängig entstehendes Feuer, mechanischer Missbrauch) bedingt werden und zu einer Freisetzung des Elektrolyten und einem thermischen Durchgehen führen. Bereits bei der Lagerung stellen Lithium-Ionen-Batterien aufgrund der chemischen Zusammensetzung ein erhöhtes Brandrisiko dar.

Brandforschung im FM Global Research Campus

Um die spezifischen Risiken der Massenlagerung von Lithium-Ionen-Akkus zu verstehen, führte FM Global gemeinsam mit der Property Insurance Research Group (PIRG) im Auftrag der amerikanischen National Fire Protection Association (NFPA) mehrstufige Free-Burn-Tests von Lithium-Ionen-Batterien durch. Getestet wurden kleinformatige Batterien, die zwei bis fünf Gramm Elektrolyte pro Zelle enthalten (5-10% ihres Gewichtes).

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass sich die relative Gefahr der Batterien mit zunehmender Zellkapazität erhöht. Weiterhin zeigen die Tests, dass großformatige Batterien zu einer schnelleren Entzündung neigen als kleinformatige. Auch die Verpackung kann eine ausschlaggebende Rolle spielen.

Schäden können mithilfe geeigneter Sicherheitsmaßnahmen minimiert oder gar vermieden werden. Um stets eine sichere Lagerung der Akkus zu gewährleisten, lohnt es sich, Forschungen und die daraus resultierenden Ergebnisse kontinuierlich zu verfolgen.
 

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