Forschung: Brandbekämpfung von Lithium-Ionen-Batterien

Bei der Brandbekämpfung von lithiumhaltigen Batterien ist es wichtig, schnell, gezielt und mit dem richtigen Löschmittel zu agieren, bevor eine größere Menge von Zellen bzw. Modulen vom Brand betroffen ist. Der Beitrag geht auf die Branddetektion sowie Brandbekämpfungsmaßnahmen ein und fasst die Ergebnisse einer aktuellen Studie zusammen.

Brandbekämpfung bei Lithium-Ionen-Batterien: Thermisches Durchgehen einer Lithium-Ionen-Batterie Typ ICR18650
Abb. 1: Thermisches Durchgehen einer Lithium-Ionen-Batterie Typ ICR18650 (Quelle: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – FFB)

April 2018 / Von Jürgen Kunkelmann. Lithium-Ionen-Batterien (Lithium-Sekundärbatterien, Akkus) und Lithium-Metall-Batterien (Lithium-Primärbatterien) werden aufgrund des hohen Energiespeichervermögens zunehmend für unterschiedliche elektrische Verbraucher eingesetzt.

Bisherige Untersuchungen ([1], [2]) zu diesen Batterien beschäftigten sich mit den folgenden Themen:

  • Aufbau, Eigenschaften und Einsatzgebiete,
  • sicherheitstechnische Betrachtungen,
  • Transport und Lagerung,
  • Branddetektion,
  • Brandbekämpfung,
  • umweltrelevante Gesichtspunkte,
  • Löschmittelrückhaltung,
  • Löschmethoden und -mittel (Wasser, Löschgase, Sand usw.),
  • persönliche Schutzausrüstung.

Nach den UN-Transportvorschriften für gefährliche Güter [3] werden lithiumhaltige Batterien seit dem 01.01.2009 als Gefahrgut der Klasse 9 ("verschiedene gefährliche Stoffe und Gegenstände") eingestuft. Bei der Brandbekämpfung z.B. durch die Feuerwehr oder durch die Auslösung von Löschanlagen ist das gezielte Agieren mit dem richtigen Löschmittel entscheidend, bevor eine größere Menge von Zellen bzw. Modulen vom Brand betroffen ist. Ohne schnelle Brandbekämpfung oder sonstige brandschutz- und anlagentechnische Maßnahmen ist mit einer größeren Brandausbreitung und einer Kontamination eines größeren Bereiches oder Lagerabschnittes mit korrosiven und toxischen Stoffen zu rechnen. Dies kann für ein Lager oder einen Produktionsbereich u.U. bedeuten, dass viele Batterien oder Verpackungseinheiten neu verpackt oder entsorgt bzw. Maschinen, Anlagen und Geräte schnellstmöglich gereinigt werden müssen, um Produktionsausfälle und Folgeschäden zu vermeiden.

Der Artikel ist in Ausgabe 2.2018 des FeuerTRUTZ Magazins (März 2018) erschienen.
Hier finden Sie weitere Informationen zum FeuerTRUTZ Magazin Ausgabe 2.2018

Branddetektion und geeignete Löschmaßnahmen

Von ganz entscheidender Bedeutung ist die schnelle und sichere Branddetektion in Räumen und Lagerbereichen. Wie nichtveröffentlichte Versuche an der Forschungsstelle für Brandschutztechnik (FFB) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gezeigt haben, kann bei versagenden Lithium-Ionen-Batterien folgende spezielle Problematik entstehen: Vor dem eigentlichen Brandstadium werden brennbare Elektrolyt- und Lösemitteldämpfe freigesetzt, die schwerer als Luft sind. Erst beim anschließenden Brand entsteht heißer aufsteigender Brandrauch. Es ist daher sinnvoll, sowohl im Boden- als auch im Deckenbereich eine Brand- bzw. Rauchdetektion unter Berücksichtigung der Ventilationsbedingungen im Raum vorzusehen.

Die Batterien setzen im Brandfall zudem eine relativ hohe thermische Energie frei, u.a. aufgrund der brennbaren organischen Elektrolytbestandteile. Überdies enthält die positive Elektrode (Kathode) gebundenen Sauerstoff. In den meisten Fällen wird bei Lithium-Ionen-Batterien für die negative Elektrode (Anode) eine Lithium-Interkalations-Verbindung mit einem hohen und ebenfalls brennbaren Grafitanteil verwendet. Bei der Auswertung der in- und ausländischen Literatur zeigte sich, dass das Löschen mit Metallbrandpulver, Sand oder Löschgasen nur bedingt geeignet ist, um diese Brände zu bekämpfen. Diese Löschmittel sind zum Teil nur schwer auf brennende Teile wie Lagergut, verdeckte Batterien in Fahrzeugen usw. aufzubringen.

Untersuchungen bezüglich des Brandschutzes und der Brandbekämpfung bei lithiumhaltigen Batterien belegen, dass v.a. der Einsatz größerer Mengen des Löschmittels Wasser vorteilhaft ist: Aufgrund seiner Kühlwirkung hat Wasser entscheidenden Einfluss darauf, die Auswirkungen eines thermischen Durchgehens (Thermal Run­away) abzumindern und das Durchgehen weiterer Zellen und Module zu verhindern.

Wie Literaturuntersuchungen gezeigt haben, ist der Einsatz von Wasser zur Brandbekämpfung durch die Feuerwehreinsatzkräfte unter Beachtung bestimmter Randbedingungen geeignet, z.B. Mindestabstände beim Löschen [4] und die evtl. Bildung von Wasserstoff bzw. Knallgas aufgrund einer möglichen Elektrolyse des Wassers.

Hierbei muss berücksichtigt werden, dass eine direkte Kühlung eingebauter Batterien z.B. in einem Fahrzeug i.d.R. nur schwer oder kaum möglich ist. Dies führt ggf. zu einer Erhöhung des Wasserbedarfs. Der Einsatz geeigneter Additive wie Schaummittel oder Gelbildner kann hier helfen, den Wasserbedarf zu reduzieren und den Löscherfolg zu beschleunigen.

Für Feuerwehreinsatz- und Rettungskräfte sind weiterhin die personenschutz- und umweltrelevanten Erfordernisse von großer Bedeutung. Hierbei ist die persönliche Schutzausrüstung entsprechend der Gefährdungsbeurteilung des Brandes sowie der chemischen und elektrischen Gefährdung auszuwählen.

Bei Bränden werden verbrannte oder unverbrannte Stoffe und Pyrolyseprodukte freigesetzt, die mit dem Löschwasser weggespült werden und das Erdreich bzw. Oberflächen- oder Grundwasser kontaminieren können. Bei der Brandbekämpfung bzw. beim Feuerwehreinsatz sollte daher der Abfluss des kontaminierten Löschwassers insbesondere bei Bränden größerer Mengen von lithiumhaltigen Batterien kontrolliert werden. So kann die Feuerwehr ggf. notwendige Schutzmaßnahmen in Abhängigkeit der möglichen toxischen Batteriebestandteile und des ggf. mit Zusätzen versehenen Löschmittels ergreifen, um dieses aufzufangen und einer Entsorgung zuzuführen.

Als mögliche anlagentechnische Maßnahmen zur Brandbekämpfung bzw. Brandvermeidung in Lagern mit Lithium-Ionen-Batterien werden gegenwärtig z.B. Sprinkleranlagen oder Sauerstoffreduzierungsanlagen eingesetzt.

Für den Einsatz von Niederdruck- oder Hochdruck-Wassernebellöschanlagen bei lithiumhaltigen Batterien liegen nach gegenwärtigem Kenntnisstand noch keine allgemein und öffentlich zugänglichen Untersuchungsergebnisse vor.

Versuche mit Sauerstoffreduzierung

Brandbekämpfung bei Lithium-Ionen-Batterien: Versuchseinrichtung zur Untersuchung
Abb. 2: Versuchseinrichtung zur Untersuchung der Brand- und Rauchausbreitung sowie der Brand­bekämpfung bei Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Metall-Batterien (Quelle: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) - FFB)

Im Unterschied zu Gaslöschanlagen ist bei Sauerstoffreduzierungsanlagen der Raum i.d.R. bereits bei Brandeintritt bis zu einem gewissen Grad mit Stickstoff inertisiert.
Der Vorteil von solchen Anlagen besteht darin, dass diese Bereiche bei einer Sauerstoffkonzentration ≥ 13 Vol.-% bei entsprechender arbeitsmedizinischer Eignung und Unterweisung ohne Hilfsmittel betreten werden können.
Im Gegensatz zu Sauerstoffreduzierungsanlagen ergeben sich bei Gaslöschanlagen bei der Flutung wesentlich niedrigere Sauerstoffkonzentrationen. Deshalb wurde zusätzlich die Löschwirkung niedriger Sauerstoffkonzentrationen (< 13 Vol.-%) untersucht.

An der FFB wurde ein weitgehend gasdichter Versuchsraum errichtet (s. Abbildung 2 und 3), um die Brand- und Rauchausbreitung bei der thermischen Beanspruchung von einzelnen Lithium-Ionen-Batterien/-Zellen (Typ: ICR18650) und Lithium-Metall-Batterien (Typ: CR17345 (CR123A)) sowohl in normaler Luftatmosphäre als auch in reduzierter Sauerstoffatmosphäre zu untersuchen.

Aufgrund der möglichen exothermen Reaktion zwischen Stickstoff und dem in Lithium-Metall-Batterien vorhandenen metallischen Lithium wurden zusätzliche Versuche mit dem Edelgas Argon zur Sauerstoffreduktion durchgeführt.

Brandbekämpfung bei Lithium-Ionen-Batterien: Versuchsraum
Abb. 3: Der Versuchsraum ist für die Brandversuche hermetisch geschlossen, lediglich Druckentlastungseinrichtungen sind vorhanden. (Quelle: Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – FFB)

Wie die Versuche zeigten, flogen beim Versagen bzw. Bersten der zylindrischen Zellen Bruchstücke im kleinen Versuchsraum bis an dessen Wandung. Nichtveröffentlichte Versuche in der Brandversuchshalle der FFB mit Rundzellen (Zylindrische Zelle) des Typs ICR18650 sowie mit Zellen in der Größe von Monozellen (D-Zellen, ICR32600) belegten, dass die Bruchstücke im "weitgehend nicht begrenzten" Raum der Versuchshalle zum Teil mehrere Meter weit flogen – wenn sie nicht in einem brandbeständigen Gehäuse untergebracht waren. Dies kommt besonders dann zum Tragen, wenn die Zellen z.B. in einem Gehäuse aus Kunststoff verbaut sind und dieses bei Brandeinwirkung zerstört wird. Hierbei sei angemerkt, dass größere Einheiten in Modulen oder verbaute Zellen einen weitaus größeren Energieinhalt haben und bzgl. der Entzündung benachbarter Brandlasten differenziert zu betrachten sind. Dies bedeutet, dass beim Personenschutz nicht nur die thermische Gefährdung beim Thermal Runaway, sondern ggf. auch die Splitterwirkung zu berücksichtigen ist.

Erkenntnisse aus den Versuchen

Die durchgeführten Versuche mit durch Stickstoff oder Argon sauerstoffreduzierter Atmosphäre zeigten, dass der Thermal Runaway der Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Metall-Batterien durch die Sauerstoffreduzierung nicht gestoppt werden konnte (s. Abbildung 1 für das thermische Durchgehen einer einzelnen Lithium-Ionen-Batterie des Typs ICR18650).
Die heftige Reaktion mit explosionsartigem Abblasen und Funkensprühen war bei allen Versuchen ähnlich stark und unabhängig von der Sauerstoffkonzentration. Die Verrauchung war im kleinen Versuchsraum auch mit Sauerstoffreduktion in den meisten Fällen so groß, dass eine Nullsicht auftrat.

Die Dauer der Flammenerscheinung beim Öffnen der Zellen bei der Sauerstoffreduktion mit Stickstoff nahm vor der eigentlichen heftigen Reaktion tendenziell ab, sowohl bei den Lithium-Ionen-Batterien als auch bei den Lithium-Metall-Batterien. Beim Einsatz von Argon trat dieser Effekt nur bei den Lithium-Ionen-Batterien auf, nicht aber bei den Lithium-Metall-Batterien. Insgesamt war die Dauer der Flammenerscheinungen bei den durchgeführten Versuchen mit Sekundärbatterien kürzer als mit Primärbatterien. Bei Primärbatterien ergab sich nach dem Flammenbrand des Elektrolyten zusätzlich der Metallbrand des metallischen Lithiums. Bei den hier durchgeführten Versuchen mit Einzelzellen konnte kein wesentlicher Unterschied beim Einsatz von Argon statt Stickstoff bei den Lithium-Metall-Batterien im Hinblick auf die exotherme Reaktion von Stickstoff mit dem metallischen Lithium festgestellt werden. Aufgrund dieser möglichen exothermen Reaktion wäre es allerdings sinnvoll, in Versuchen im Realmaßstab den Einsatz von Argon statt Stickstoff mit einer größeren Menge an Primärbatterien wie z.B. in einem Lager näher zu untersuchen.

Um eine mögliche Brandausbreitung auf benachbartes Brandgut zu untersuchen, wurde senkrecht über den Batterien ein Kartonstück (einlagige Wellpappe) als Sekundärbrandlast aufgehängt. In normaler Luftatmosphäre entzündete sich der Wellpappkarton über den thermisch durchgehenden Batterien. Ab der untersuchten reduzierten Sauerstoffkonzentration von ≤ 14 Vol.-% wurde der Wellpappkarton sowohl bei der Inertisierung mit Stickstoff als auch mit Argon nicht entzündet. Es ist somit mit großer Wahrscheinlichkeit davon auszugehen, dass durch die Methode der Sauerstoffreduktion die Entzündung benachbarter Brandlasten und auch das thermische Durchgehen benachbarter Batteriezellen und -module verhindert oder zumindest beträchtlich verringert werden kann. Dadurch wird auch der Verrauchung und Kontamination der geschützten Bereiche mit toxischen und korrosiven Stoffen entgegengewirkt.

Insbesondere die Tatsache, dass der Raum bereits während des Versagens zu einem gewissen Grad inertisiert ist und nicht erst nach Eintreten des Ereignisses evakuiert und dann mit Inertgas geflutet wird, ergibt einen sicherheitsrelevanten zeitlichen Vorteil. Im Gegensatz zu Wasserlöschanlagen ist bei Gaslösch- bzw. Sauerstoffreduzierungsanlagen zwar eine Raumdichtigkeit erforderlich, dafür werden durch diese Anlagen Folgeschäden durch das Löschmittel vermieden. Somit stellt die Methode der Sauerstoffreduktion nach erster Einschätzung eine geeignete anlagentechnische Maßnahme zur Verhinderung der Brandausbreitung über einen Flammenbrand und zum Schutz von Lagern mit lithiumhaltigen Batterien dar. Aufgrund der durchgeführten Versuche mit ausschließlich einzelnen Zellen können gegenwärtig noch keine Aussagen zum gleichzeitigen Durchgehen mehrerer Zellen sowie zur dichtgepackten Lagerung bzw. größeren Abständen zwischen den Batterien (z.B. Zellproduktion, Formierlager, Lagerung fertiger Zellen und Module im Regal- oder Blocklager, Kommissionierbereich) gemacht werden.

Fazit

Bei Produktionsbereichen sowie bei der Lagerung von Batterien in größeren Mengen und ggf. hoher Leistung oder von vielen kleinen Batterien in vielen Verpackungseinheiten ist bisher kein allgemeines Schutzkonzept in der Literatur öffentlich zugänglich. Deshalb müssen im Einzelfall ganzheitliche Brandschutzkonzepte erstellt werden, die z.B. folgende Maßnahmen beleuchten:

  • Separierung und Mengenbegrenzung bei der Lagerung durch Brandabschnittsbildung mit feuerbeständigen Bauteilen,
  • Lagerung in feuerbeständigen Schränken (ggf. Feuerwiderstand von innen und außen),
  • Begrenzung der Kontamination mit toxischen und korrosiven Stoffen oder
  • Einsatz von Löschanlagen oder Sauerstoffreduzierungsanlagen.  

Autor

Dipl.-Ing. (TH) Jürgen ­Kunkelmann: Forschungsstelle für Brandschutztechnik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Hauptarbeitsgebiete: Brand- und Rauchausbreitung bei Gebäuden, Lagern, Gen- und Biolaboren, Lithium-Ionen- und Lithium-Metall-Batterien, Branddetektion, Löschanlagen  

Literatur

[1] Kunkelmann, J., Untersuchung des Brandverhaltens von Lithium-Ionen- und Lithium-­Metall-Batterien in verschiedenen Anwendungen und Ableitung einsatztaktischer Empfehlungen, Forschungsbericht Nr. 175 der ständigen Konferenz der Innenminister und -senatoren der Länder, Arbeitskreis V, Ausschuss für Feuerwehrangelegenheiten, Katastrophenschutz und zivile Verteidigung, Forschungsstelle für Brandschutztechnik, Karlsruhe, 2015

[2] Kunkelmann, J., Studie zur Brandbekämpfung von Lithium-Ionen-Batterien (Akkus) und ­Lithium-Metall-Batterien. Forschungsbericht Nr. 192 der ständigen Konferenz der Innenminister und -senatoren der Länder, Arbeitskreis V, Ausschuss für Feuerwehrangelegenheiten, Katastrophenschutz und zivile Verteidigung, Forschungsstelle für Brandschutztechnik, ­Karlsruhe, 2017

[3] United Nations, Recommendations on the Transport of Dangerous Goods: Model ­Regulations, Vol. I und II, 20., überarbeitete Auflage, 2017

[4] DIN VDE 0132:2015-10 "Brandbekämpfung und technische Hilfeleistung im Bereich ­elektrischer Anlagen"

Der Artikel ist in Ausgabe 2.2018 des FeuerTRUTZ Magazins (März 2018) erschienen.
Hier finden Sie weitere Informationen zum FeuerTRUTZ Magazin Ausgabe 2.2018

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Letzte Aktualisierung: 24.04.2018

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