Brände von Lithium-Ionen-Batterien sind extrem selten, aber aufgrund der technischen Beschaffenheit der Batterien ist das Löschen eine große Herausforderung. Daher ist es sinnvoll, die Ursachen, Gegen- und Präventivmaßnahmen etwas genauer zu untersuchen.
Während die genauen Umstände noch nicht geklärt sind, beherrschten die Bilder eines Schiffes mit mehr als 3.000 Autos an Bord in der Nordsee Ende Juli die Schlagzeilen . Die Ursache des Brandes ist noch nicht geklärt. Die Theorie, dass der Brand durch ein Elektrofahrzeug verursacht wurde, erscheint jedoch immer unwahrscheinlicher. Bei der Inspektion des Frachters wurden alle 498 Elektrofahrzeuge in gutem Zustand vorgefunden. Im Allgemeinen sind Batteriebrände extrem selten, aber aufgrund der technischen Beschaffenheit von Batterien ist das Löschen eine große Herausforderung. Es ist daher sinnvoll, die Ursachen, Gegen- und Vorbeugungsmaßnahmen etwas genauer zu untersuchen.
BMS-Fehlfunktionen wie Überladung oder Überentladung: BMS-Fehlfunktionen wie Sensorabweichungen können zu unsicherem Betrieb führen. Das Überladen von Batterien kann zu übermäßiger Hitze im Inneren der Batterie führen. Diese Wärme kann weitere Reaktionen auslösen, die zu Nebenreaktionen wie der Zersetzung des Elektrolyts oder der Auflösung von Kupfer führen und schließlich einen internen Kurzschluss verursachen. Genau wie eine Überladung kann auch eine hohe und schnelle Entladung einer Batterie die gleichen Auswirkungen haben.
Es ist auch wichtig zu wissen, dass ständiges Überladen den Zustand des Akkus im Laufe der Zeit verschlechtern oder zu einer Schwellung des Akkus führen kann, wodurch er anfälliger für Brände wird.
Physische Beschädigung: Physische Schäden können verschiedene Formen annehmen, z. B. Einstiche, Quetschungen oder ständiger Druck auf das Batteriegehäuse. In solchen Situationen wird die physische Struktur der Batterie beeinträchtigt. Dies kann zu internen Kurzschlüssen oder zu lithium plating in bestimmten Bereichen der Elektrode führen, was wiederum zu potenziellen Batteriebränden führen kann.
Herstellungsfehler und mangelhafte Qualitätskontrolle: Hierbei handelt es sich um Fehler, die während des Produktionsprozesses der Batterie auftreten. Metallpartikel, die in die Batterie gelangen, schlechtes Schweißen an den Batteriepolen, eine uneinheitliche Elektrodenbeschichtung, zu viel Silizium in der Elektrode, übermäßige Volumenausdehnung und unzureichende Qualitätskontrolle der Batteriekomponenten sind nur einige Beispiele für solche Fehler. Darüber hinaus kann eine mangelhafte Qualitätskontrolle dazu führen, dass minderwertige Materialien verwendet oder Konstruktionsfehler übersehen werden, was beides zum Ausfall der Batterie führen kann. Ein minderwertiger Separator verhindert dann beispielsweise nicht ausreichend, dass sich die Elektroden berühren, was zu einem Kurzschluss und möglicherweise zu einem Brand führen kann.
Extreme Temperaturen: Batterien sind für den Betrieb innerhalb bestimmter Temperaturbereiche ausgelegt. Hohe Temperaturen können zur Zersetzung der Materialien in der Batterie führen. Dies wiederum beschleunigt die Nebenreaktionen und erzeugt noch mehr Hitze, was zu einer Kettenreaktion und einem Batteriebrand führt.
All diese direkten Ursachen für Batteriebrände zu verstehen und genauer zu wissen, woher sie kommen, ist bereits von großem Nutzen und erhöht die Sicherheit von Batterien.
Aber nicht alle Sicherheitsvorfälle sind auf die Batterie selbst zurückzuführen. Es gibt viele Einflüsse rund um eine Batterie, die versagen können. Wir nennen das den äußeren Risikobereich.
Kühlsystem: Das Kühlsystem eines Elektrofahrzeugs (EV) oder eines Energiespeichersystems ist darauf ausgelegt, den optimalen Temperaturbereich der Batterie aufrechtzuerhalten, der in der Regel zwischen 20 und 40 °C (68 und 104 °F) liegt. Die meisten Elektrofahrzeuge sind mit einem Flüssigkeitskühlsystem ausgestattet. Ein Überschreiten der sicheren Betriebstemperatur (über einen längeren Zeitraum) aufgrund eines Ausfalls des Kühlsystems kann zu beschleunigter Alterung, aber auch zu Bränden führen.
Andere (Sicherheits-)Komponenten: Rauchmelder und Sprinkleranlagen sind beispielsweise gängige Komponenten in einem Energiespeichersystem, um Brände zu verhindern oder zu löschen. Batterien sind jedoch nicht immer gut auf diese Sicherheitssysteme abgestimmt. Wenn ein Rauchmelder beispielsweise die Sprinkleranlage einschaltet, kann das Wasser aus diesen Geräten einen Kurzschluss verursachen und thermal runaway in der Batterie verursachen. Dies gilt vor allem für stationäre Energiespeichersysteme, aber auch die externen Systeme von Elektrofahrzeugen, wie z. B. Ladegeräte, sind bekannte Brandursachen.
Kabelbrände: Kabel innerhalb einer Batterie können beschädigt werden, zum Beispiel durch mechanische Beanspruchung, durch extremen Fahrzeugbetrieb oder nachlässige Wartung. Diese beschädigten Kabel können sich überhitzen und schließlich einen Brand auslösen.
Unfälle: Eine äußere Einwirkung auf Elektrofahrzeuge oder Energiespeichersysteme, z. B. ein Autounfall, aber auch Vorfälle wie Waldbrände können die Batterie so stark mechanisch belasten, dass ein Brand entsteht oder eine Batterie direkt kurzgeschlossen wird.
Jede dieser Ursachen kann zu Batteriebränden beitragen. Die häufigste Ursache für Batteriebrände ist jedoch unbekannt. In den meisten Fällen werden die Batteriesysteme unwiderruflich zerstört. Rückschlüsse auf die Brandursache sind manchmal nicht mehr möglich. Deshalb ist die Prävention von Batteriebränden der wichtigste Schritt.
Brände in Elektrofahrzeugen und Energiespeichern sind aufgrund der chemischen Zusammensetzung der Batterien, die einen Brand ohne Sauerstoffzufuhr von außen aufrechterhalten können, schwierig zu bekämpfen. Die allgemeine Vorgehensweise besteht darin, das System zu kühlen und abzuwarten, bis die Reaktion abgeklungen ist.
Feuerwehrleute setzen oft viel Wasser ein, um einen Brand in einer Elektrofahrzeugbatterie zu löschen. Lithium-Ionen-Batterien können starke Hitze entwickeln, wenn sie Feuer fangen. Diese Hitze kann zu einem thermal runaway führen, d. h. eine Überhitzung einer Zelle kann dazu führen, dass sich benachbarte Zellen ebenfalls überhitzen, wodurch eine Kettenreaktion, eine so genannte thermische Ausbreitung, entsteht. Um diese Kettenreaktion zu stoppen, kühlen die Feuerwehrleute die Batterie mit großen Mengen Wasser. Das Wasser kühlt das Batteriepack und trägt dazu bei, dass sich andere Zellen nicht entflammen können.
Manche Feuerwehren setzen auch spezielle Schäume oder andere Löschmittel ein, die aber im Allgemeinen dem Einsatz von Wasser untergeordnet sind. Denn diese anderen Mittel kühlen den Batteriesatz möglicherweise nicht ausreichend, um eine Wärmeausbreitung zu verhindern.
Mit Wärmebildkameras wird die Temperatur des Akkus während eines Einsatzes von der Feuerwehr überwacht. Auf diese Weise können sie feststellen, ob das Feuer ausreichend gelöscht wurde oder ob noch die Gefahr besteht, dass die Batterie wieder in Brand gerät. Sobald das Feuer gelöscht ist, muss die Batterie über einen längeren Zeitraum kontinuierlich überwacht werden. Batterien können noch Stunden oder sogar Tage nach dem Löschen eines Brandes wieder neu entflammen. Die Feuerwehren können mit dem Fahrzeughersteller oder einem Abschleppunternehmen zusammenarbeiten, um den sicheren Ausbau und die Lagerung einer beschädigten Batterie zu gewährleisten.
Das bei diesem Verfahren ablaufende Wasser stellt ebenfalls eine potenzielle Gefahr für die Umwelt dar. Das Wasser kann chemische Verunreinigungen aus dem Feuer enthalten, so dass die Feuerwehr verhindern muss, dass es in die Kanalisation oder in ein Gewässer gelangt. Im Fall des Frachtschiffs in der Nordsee besteht durch das Wasser zusätzlich die Gefahr, dass das Schiff sinkt. Indem sie die Seitenwände mit Wasser abspritzen, versuchen sie, das Schiff zu kühlen, ohne es zu versenken. Die Schwierigkeit, Brände auf Schiffen zu löschen, ist jedoch ein allgemeines Problem und steht nicht im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen, wie ein jüngster Vorfall in New Jersey zeigt.
In allen Szenarien ist die wirksamste Strategie gegen Brände von Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen die Prävention. Dazu gehören die ordnungsgemäße Auslegung, Beschaffung, Installation, Wartung und Überwachung dieser Systeme, um eine frühzeitige Erkennung und Behebung von Fehlern, die zu einem Brand führen könnten, zu gewährleisten. Außerdem sollten die Nutzer über sichere Praktiken und potenzielle Gefahren im Zusammenhang mit dem unsachgemäßen Umgang mit diesen Systemen aufgeklärt werden.
Eine präventive Sicherheitslösung für Batterien sollte beide Risikobereiche abdecken, den inneren und den äußeren, und somit zwei Schutzlinien bilden.
Gutes Design: Ein gutes Design spielt eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Batteriebränden. Sie beginnt mit der Auswahl der besten Batteriezelle, des BMS und des Systemdesigns, die den unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Belastungen standhalten. Die Konstruktion sollte auch den sicheren Einschluss der Batteriekomponenten, insbesondere des brennbaren Elektrolyts, gewährleisten.
Darüber hinaus sollte die Architektur von Batteriepaketen, insbesondere in Elektrofahrzeugen oder Energiespeichersystemen, so konzipiert sein, dass Ausfälle isoliert werden und die Fehlfunktion einer einzelnen Zelle sich nicht auf andere Zellen auswirkt (thermische Ausbreitung), wodurch das Risiko eines größeren Brandes verringert wird. Die Einbeziehung robuster Wärmemanagementsysteme in die Konstruktion kann auch eine wirksame Wärmeableitung gewährleisten und eine Überhitzung verhindern.
Gründliche Qualitätssicherung: Eine wesentliche Präventivmaßnahme gegen Batteriebrände liegt in der gründlichen Qualitätssicherung bei der Herstellung von Batteriesystemen, angefangen bei der Zellenproduktion bis hin zur finalen Montage. Strenge Grenzwerte bei Eingangs- und End-of-Line-Tests sorgen zwar für eine höhere Ausschussquote, sind jedoch notwendig, um zukünftige Fehlfunktionen so gut wie möglich auszuschließen. Fehler, die nicht direkt erkannt werden, müssen so früh wie möglich identifiziert werden.
Frühzeitige Erkennung von Defekten: Eine kontinuierliche Überwachung der Batterien ist unerlässlich. Alle festgestellten Anomalien sollten eine Warnung auslösen oder, falls erforderlich, das System abschalten, um weitere Schäden zu verhindern. Der Einsatz fortschrittlicher Diagnosewerkzeuge und -techniken kann dazu beitragen, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen, noch bevor sie zu spürbaren Leistungseinbußen führen können. Je früher die Batterieteams über potenzielle Defekte informiert werden, desto besser.
Eine frühzeitige Erkennung gibt den Batterieteams die Möglichkeit, geeignete Präventivmaßnahmen zu ergreifen. Batterieanalytiksoftware kann beispielsweise Anomalien im System erkennen, die in verschiedene Risikostufen eingeteilt werden können, was eine zweite Sicherheitsebene schafft und einen rechtzeitigen Austausch ermöglicht. Regelmäßige Inspektionen und Wartungen können ebenfalls zur frühzeitigen Erkennung von Defekten beitragen. So können beispielsweise physische Anzeichen von Batterieschäden wie Schwellungen oder Auslaufen auf ein internes Problem hinweisen.
Identifizierung möglicher Ursachen für thermal runaway: Ein weiterer entscheidender Aspekt bei der Verhinderung von Batteriebränden ist die frühzeitige Erkennung potenzieller Ursachen für thermal runaway. Wirksame Batteriemanagementsysteme (BMS) sind in dieser Hinsicht entscheidend. Diese Systeme überwachen und steuern die Betriebsbedingungen der Batterie, einschließlich Ladezustand und Temperatur, und können eingreifen, wenn abnormale Bedingungen festgestellt werden. So kann das BMS beispielsweise eine Überladung oder Entladung verhindern und die Batterie abschalten, wenn die Temperatur ein sicheres Niveau überschreitet.
Darüber hinaus kann Batterieanalytik eine zweite Sicherheitsebene bieten, indem sie frühzeitig Indikatoren für einen sich verschlechternden Batteriezustand und Ursachen für thermal runaway, z. B. lithium plating, erkennt. Die regelmäßige Inspektion und Wartung von Batterien kann auch dazu beitragen, Anzeichen für potenzielle Probleme zu erkennen, wie z. B. Aufquellen oder Auslaufen, die auf die Gefahr eines thermal runaway hinweisen können. Wenn man die Anzeichen eines drohenden thermal runaway kennt und rechtzeitig handelt, kann man das Risiko von Batteriebränden wirksam eindämmen.
Zwar kann keine Sicherheitsmaßnahme einen 100-prozentigen Schutz garantieren, doch je mehr Ursachen erkannt werden, desto seltener kommt es zu Bränden. Batteriebrände sind zwar relativ selten, können aber schwere Schäden verursachen. Wenn wir die Ursachen, Gegen- und Vorbeugungsmaßnahmen verstehen, können wir alle zu einer sichereren batteriebetriebenen Welt beitragen.
(Fotoquelle: kustwachtvliegtuig)
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