Defekt, Brand und Explosion von Lithium-Ionen-Akkus

Die Konsequenzen aus einer unsachgemäßen Lagerung oder einem nicht korrekten Transport sind, wie hier im Detail erläutert, Schäden am Akku. Je nach Größe des Akkus, Typs des Schadens und weiteren Faktoren können daraus unterschiedlich starke Gefahren resultieren – angefangen beim einfachen Defekt über schwer zu löschende Akku-Brände bis zu heftigen Explosionen, die akute Gefahr für die Umgebung darstellen. Ein eigentlicher Vorteil von Li-Ionen-Akkus, die hohe Energiedichte, ist die Ursache für die möglichen Gefahren und Risiken, die von ihnen bei falscher Lagerung oder Verwendung ausgehen können.

Eingeschränkte Funktionalität von defekten Lithium-Ionen-Akkus
Brände als Folge von beschädigten Lithium-Batterien
Löschmittel für Lithium-Batterie-Brände

Eingeschränkte Funktionalität von defekten Lithium-Ionen-Akkus

Die für die Umgebung am wenigsten gefährliche Konsequenz aus der falschen Lagerung oder dem nicht sachgemäßen Transport von Lithium-Batterien und Lithium-Ionen-Akkus ist die eingeschränkte Funktionalität. Durch die Defekte kann es bspw. zu einer eingeschränkten Kapazität kommen, so dass der Akku nur noch weniger Energie speichern kann – die mit dem Akku betriebenen Geräte laufen also nur noch wesentlich kürzer als mit einer intakten Lithium-Batterie. Im Extremfall kann der Akku auch komplett seinen Dienst verweigern, sodass hier eine entsprechende Entsorgung notwendig wird. Das ist für den Nutzer des Akkus entsprechend ärgerlich und mit zum Teil hohen Wiederbeschaffungskosten verbunden. Bei E-Bikes oder Elektroautos macht die Lithium-Batterie einen großen Anteil am Gesamtpreis aus, sodass der Ersatz des Akkus häufig große Investitionen erfordert.

Brände als Folge von beschädigten Lithium-Batterien

Wesentlich gefährlicher als eine eingeschränkte Funktionalität sind Brände, die durch defekte Lithium-Batterien ausgelöst werden - ein Grund, warum man die Zellen am besten in speziellen Akku-Sicherheitsschränken oder Lagerbehältern / Akkuboxen lagert und warum immer ein entsprechender Feuerlöscher für Lithium-Ionen-Akkus griffbereit sein sollte. Zum Beispiel sind häufig Bilder von brennenden Smartphones in der Presse zu sehen, die sich zum Teil ohne äußerlichen Einfluss gebildet haben und so prinzipiell jederzeit auftreten können. Gleichwohl treten Akku-Brände in der Regel in Situationen auf, wenn der Akku unter Stress gesetzt wird, wie beim (Schnell-) Laden, bei mechanischer Belastung oder bei unsachgemäßer Lagerung. Mikroschäden am Separator können dann in einer Überbeanspruchung und zum Brand führen. Neben den bekannten Smartphone-Bränden gibt es aktuell vermehrt Berichte über Brände in Elektroautos, die nach einem Unfall zum Teil über Tage hinweg immer wieder aufflammen können.

Warum geraten Lithium-Batterien in Brand?

In der Regel kommt es infolge einer unsachgemäßen Nutzung oder eines mechanischen Defekts zu einem Temperaturanstieg. Bei dieser Erhitzung einer Akkuzelle wird dann der Siedepunkt des Elektrolyts erreicht, dieser verdampft. Damit wird die gesamte Zelle unter einen hohen Druck gesetzt und bläht sich auf (was auch zur Explosion führen kann, s.u.). Bei entsprechender Wärme kann der Elektrolyt auch in Brand geraten, denn diese bestehen normalerweise aus Kohlenwasserstoffen, die ähnlich entzündlich und brennbar sind wie Benzin. Wichtig ist in diesem Zusammenhang der sogenannte Thermal Runway einer Lithium-Batterie: Bei einem Defekt kann innerhalb kürzester Zeit das 6- bis 10-fache der Akku-Kapazität in Form von thermischer Energie freigesetzt werden. Einzelne defekte Akkuzellen erhitzen dann Nachbarzellen so stark, dass diese ebenfalls zerstört werden und wiederum die Nachbarzellen „anstecken“. Dies lässt sich von außen nicht unterbrechen, die Folge des Thermal Runways mit Temperaturen von bis zu 600°C ist nicht nur der Zellbrand bzw. der Brand der gesamten Batterie, sondern in der Regel auch die vollständige Zerstörung der Lithium-Batterie.

Tiefenentladung als Ursache

Was im ersten Moment paradox klingt, ist aber ebenfalls eine mögliche Ursache für Batteriebrände. Ist ein Li-Ionen-Akku zu tief entladen, kann die Tiefentladung zu Schäden in den einzelnen Zellen führen, die dann wiederum als Ursache für einen Akku-Brand fungieren. In der Regel wird dies zwar durch das Batteriemanagementsystem verhindert, aber eine unsachgemäße Nutzung oder sogar eine Manipulation des Batteriemanagementsystems kann zur Folge haben, dass die Akkus zu weit entladen und damit zur potenziellen Brandursache werden.

Was macht einen Lithium-Akku-Brand so besonders?

Ein Batteriebrand ist aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften besonders gefährlich. Nicht nur die hohen Temperaturen, auch das mögliche Wiederaufflammen über lange Zeiträume lassen Batteriebrände zur ernsthaften Gefahr werden.

Hohe Temperaturen brennenden Lithium-Batterien

Ein Akku kann ein Vielfaches der normalen Kapazität in Form von thermischer Energie beim Defekt abgeben. Wie oben erläutert, gibt eine Zelle beim Thermal Runway bis zu 10 mal mehr thermische Energie ab, als ihre normale Ladekapazität beträgt.

Brennende Akkus von Elektroautos sind besondere Herausforderung

Die Bilder von brennenden Lithium-Ionen-Akkus aus den immer weiter verbreiteten Elektroautos gehen immer wieder durch die Presse und Laien stellen sich häufig die Frage, warum diese nicht einfach gelöscht werden können. Die hohe Kapazität von Batterien in Elektroautos und die entsprechend große Menge an gespeicherter Energie sorgen dafür, dass die Feuerwehr beim Bekämpfen dieser Brände vor besondere Herausforderungen gestellt werden und neben speziellen Löschmitteln für Akkubrände ebenfalls zu außergewöhnlichen Maßnahmen greifen muss. Auch dazu gibt es immer wieder Bilder, wie komplette Fahrzeuge in wassergefüllte Container versenkt werden, bis der Akku sich so weit abgekühlt hat, dass keine Gefahr mehr davon ausgeht.

Moderne Batteriemanagement-Systeme sollen Brände verhindern

Bei den oben beschriebenen Problemen, in Brand geratene Akkus zu löschen, gibt es natürlich ebenso Vorkehrungen, einen Brand von gerade sehr leistungsstarken Lithium-Batterien zu vermeiden. Die Aufgabe moderner Batteriemanagementsysteme ist es daher, die Akkus so zu steuern und im Notfall abzuschalten, sodass es nicht zu einer unkontrollierten Energieentladung und einem Brand kommt.

Brände von Lithium-Batterien bekämpfen

Kommt es zum Brand von Lithium-Batterien, müssen unterschiedliche Maßnahmen zur Brandbekämpfung von Lithium-Ionen-Akkus ergriffen werden. Klassische Löschmittel wie Wasser sorgen zwar für eine Abkühlung des Systems, gleichzeitig stehen die elektrischen Systeme häufig unter hoher Spannung. So kann es bspw. zu elektrischen Schlägen führen, wenn Wasser eingesetzt wird. Diese Gefahr haben allerdings schon viele Konstrukteure erkannt und hier entsprechende Sicherheitseinrichtungen in die Systeme eingebaut, die die Spannung aus dem kompletten System nehmen, wenn ein Problem erkannt wird. Wie man einzelne Akku-Brände am besten bekämpfen kann, haben wir in speziellen Beiträgen aufbereitet:

Löschmittel für Lithium-Batterie-Brände

Aufgrund der sehr speziellen Eigenschaften von Akku-Bränden sind normale Löschmittel und klassische Feuerlöscher in der Regel nur eingeschränkt für die Akku-Brandbekämpfung empfehlenswert. Entsprechend gibt es eine Reihe von Löschmitteln, die von unterschiedlichen Herstellern entwickelt wurden, um Akku-Brände bekämpfen zu können, angefangen bei Feuerlöschern für Li-Ionen-Akkus über Löschgranulate wie Pyrobubbles bis hin zu Löschdecken für Lithium-Batterien.

Feuerlöscher für Li-Ionen-Akkus

Gerät ein Akku oder eine Lithium-Batterie in Brand, ist ein passender Feuerlöscher häufig das erste Mittel, was zur Bandbekämpfung griffbereit ist. So können erhitzte und und brennende Akkus heruntergekühlt werden, bei den Lithium-Feuerlöschern von Bavaria mit Lithium-X als Löschmittel legt sich durch die Silizium-Plättchen eine robuste Sperrschicht zwischen den brennenden Akku und die Umwelt, so dass Schäden minimiert werden. Zu unterscheiden sind daher generell die beiden Akku-Feuerlöscher, einerseits die Modelle, die primär den Fokus auf eine Kühlung der Zellen legen (Wasser-Feuerlöscher und Gel-Feuerlöscher) und andererseits die Lithium-Feuerlöscher, die den Akku-Brand wirklich stoppen können.

Löschgranulate wie Pyrobubbles®, Extover, Vermiculite etc.

Neben Wasser sind zum Löschen von brennenden Lithium-Akkus daher sogenannte Metallbrandpulver geeignet. Diese sind in der Regel aus Blähglas oder Hohlglas-Granulaten gefertigt und bilden beim Löschen des Akku-Brands eine zähe und undurchlässige Schicht, sodass kein weiterer Sauerstoff an die Brandstelle gelangt. Das wird durch ein Aufschmelzen der Granulate erreicht, was wiederum durch die Hitze beim Akku-Brand verursacht wird. Bekannte Beispiele für diese Akku-Löschmittel sind Pyrobubbles® von Genius, aber auch andere Granulate wie Extover oder Vermiculite kommen hier zum Einsatz, die auf einer ähnlichen Funktionsbasis beruhen. Neben der aktiven Brandbekämpfung von Akku-Bränden sind die Granulate auch zur Brandvermeidung geeignet, indem sie bspw. in Akku-Lagerbehältern und Transportboxen für Li-Ionen-Akkus zum Einsatz kommen.

Löschdecken zur Bekämpfung von Akku-Bränden

Ähnlich wie bei dem Einsatz von Löschgranulaten wie Pyrobubbles® oder den Lithium-Feuerlöschern von Bavaria ist das Ziel beim Einsatz von Löschdecken für Li-Ionen-Akkus die Isolation des Brandes. Beim Einsatz wird die Löschdecke über den Brandherd gelegt/geworfen, sodass dieser möglichst komplett abgedeckt wird. Je nach Modell können so unterschiedliche Akku-Brände eingedämmt werden, angefangen bei in Brand geratenen E-Bike-Akkus bis zu brennenden Elektroautos. Besonders häufig werden die Löschdecken für Elektroautos bspw. von Feuerwehren genutzt, um die immer stärker aufkommenden Elektroautos im Brandfall löschen zu können.