Was sind die Brandrisiken von Lithium-Ionen-Batterien?
Thermische Instabilität
Lithium-Ionen-Batterien sind empfindlich gegenüber Überhitzung. Wird eine bestimmte, von der Zellchemie abhängige, Temperatur überschritten, kann es schnell zu einem Thermal Runaway kommen, bei der die Hitzeentwicklung auf die umliegenden Zellen überspringt, insgesamt dadurch exponentiell zunimmt und letztendlich zu einem Brand führen kann.
Kurzschluss
Ein Kurzschluss innerhalb der Batterie kann ebenfalls zu einem plötzlichen Anstieg der Temperatur führen und somit die Kettenreaktion des Thermal Runaways auslösen. Kurzschlüsse können aufgrund von Herstellungsfehlern, mechanischer Beschädigung oder sich zersetzender Zellchemie auftreten.
Überladen & Überentladung
Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie über- oder überentladen wird, kann es zu Strukturveränderungen innerhalb der Batteriezellen führen. Dies kann zu Beschädigungen an der Zellinfrastruktur führen und das Brandrisiko erhöhen.
Fremdpartikel
Fremdpartikel können Kurzschlüsse und Beschädigungen verursachen. Die Fremdpartikel können dabei aus dem Produktionsprozess, von unsachgemäßer Handhabung oder aus Verschleißerscheinungen im Laufe der Zeit stammen.
Welche Besonderheiten gibt es bei Lithium-Ionen-Batteriebränden?
Der Begriff „Thermal Runaway“ (Thermisches Durchgehen) beschreibt einen sich selbst verstärkenden Prozess der Überhitzung in einer Batterie, der zu einem unkontrollierten Temperaturanstieg führt. Aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften und ihrer Bauweise sind Lithium-Ionen-Batterien besonders gefährdet.
Während des Thermischen Durchgehens wird durch den Kathodenverbrauch Sauerstoff erzeugt. Zum einen wird der sich selbst verstärkende chemische Prozess dadurch weiter angeheizt, zum anderen sind dadurch Löschmethoden, die auf Sauerstoffentzug bzw. Erstickung beruhen, nicht wirksam.
Da die an der chemischen Reaktion beteiligten Materialien eng in eine Zelle integriert sind und die Zelle selbst zum Schutz oft gut isoliert und Teil es größeren Batteriemoduls ist, wird die Brandbekämpfung zu einer Herausforderung. Löschmittel dringen meist nicht ins Innere der Zelle, sondern können nur eine Atmosphäre schaffen, die eine Ausbreitung verhindert.
Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus mehreren Stoffen, die als Brennstoff infrage kommen. Dadurch wird zum einen die Ausbreitung und Entwicklung eines Lithium-Ionen-Brandes schwer vorhersagbar und zum anderen die Wahl eines geeigneten Löschmittels weiter eingeschränkt. Nicht jedes Löschmittel kommt für jede Brandklasse infrage.
Bei Bränden mit Lithium-Ionen-Batterien besteht immer die Gefahr, dass die Brände Stunden oder sogar Tage, nach dem sie scheinbar gelöscht wurden, wieder aufflammen.
Wie verläuft ein Lithium-Ionen-Batteriebrand?
Initiale Ursache
Lokale Temperaturerhöhung an einer oder mehreren Zellen.
Ausgasen
Die erhöhte Temperatur führt zu einer beschleunigten Reaktion innerhalb der Batteriezellen. Geringe Mengen von Gas und Zelldämpfen werden freigesetzt.
Rauch
Die freigesetzte Wärme verstärkt den Prozess weiter. Dies kann zu einer beschleunigten Freisetzung des Elektrolyts führen oder sogar zur Zersetzung des Elektrodenmaterials. Rauch und zusätzliche Wärme werden freigesetzt.
Entzündung
Der Prozess beschleunigt sich exponentiell und die Temperaturen in der Batterie steigen rapide an, sodass mehr und mehr Batteriezellen betroffen sind. Eine Entzündung wird wahrscheinlicher, je höher die Temperatur ansteigt, desto länger sich der Prozess unkontrolliert fortsetzt.
Welche Brandschutzmaßnahmen für Lithium-Ionen-Batterien gibt es?
Es gibt zwei grundlegende Brandschutzmaßnahmen für Lithium-Ionen-Batterien: Prävention und Eindämmung. Welche davon zum Einsatz kommt, hängt vom Schutzziel, den konkreten Möglichkeiten, sowie einer individuellen Risikoanalyse ab.
Prävention
Zwischen Ausgasen und Thermal Runaway einer Lithium-Ionen-Batterie vergehen durchschnittlich 10-15 Minuten. Detektiert man die kleinen Gasmengen, die beim Ausgasen aus der Batteriezelle austreten frühzeitig, erhält man ein Zeitfenster, in dem Präventionsmaßnahmen ergriffen werden können.
Eindämmung
Kommt es zur Entzündung einer oder mehrerer Lithium-Ionen-Batteriezellen, müssen Maßnahmen zur Eindämmung der Kettenreaktion ergriffen werden. Das betroffene Batteriemodul und die darin entzündeten Zellen können nicht mehr gerettet werden. Jedoch können umliegende Module und Infrastruktur geschützt und Schaden sowie Betriebsausfall minimiert werden.
Innovatives 360° Brandschutzkonzept für Lithium-Ionen-Batterien
degesa fire systems verfolgt einen drei-stufigen Ansatz im Brandschutz für Lithium-Ionen-Batterien. Dabei kommen bewährte Methoden und Systeme zum Einsatz, die zu einem innovativen Schutzkonzept zusammengeführt und an die spezifischen Umstände im jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Stufe 1: Li-ion Tamer
Der Li-ion Tamer ist das führende System zur Früherkennung von Ausgas-Ereignissen bei Lithium-Ionen-Batterien aller Chemietypen. Elektrolytdämpfe werden zuverlässig detektiert und gemeldet und verschaffen Ihnen damit das alles Entscheidende: Ein Präventionszeitfenster, in dem Schlimmeres noch verhindert werden kann.
Funktionsweise
Mit einer Reaktionszeit von fünf Sekunden werden selbst kleinste Mengen Gas erkannt, sodass eine Frühwarnung an Betreiber erfolgen kann. Dabei besteht die primäre Maßnahme darin, die Batteriemanagementsysteme anzusteuern, sodass die Stromzufuhr zu den Batterien abgeschaltet werden kann. Dadurch kann ein weiterer Anstieg der Temperatur in den Batteriezellen frühzeitig verhindert werden und unter dem Punkt des thermischen Durchgehens gehalten werden.
Stufe 2: AF-X Aerosol-Löschanlage
Aerosol-Löschanlagen haben sich vielfach als effektives System zur Eindämmung von Thermal Runaways bewährt. Das Aerosol schafft im Raum für längere Zeit eine Atmosphäre, in der keine Flammen oder Brände entstehen können. Dadurch wird ein unkontrollierter Temperaturanstieg verhindert und ein Überschlag des Brandereignisses auf umliegende Batteriemodule oder Infrastruktur wird wirksam verhindert.
Funktionsweise
Das Aerosol unterbricht primär die Kettenreaktion des Feuers und unterdrückt dadurch Brände und Flammen. Sekundär wird eine Kühlwirkung erzielt, da dem Feuer die Energie entzogen wird. Es entstehen weder gefährliche und unkontrollierbare Nebenprodukte, noch werden große Mengen Löschmittel benötigt. Das Löschmittel steht dabei in geschlossenen Räumen über längere Zeit im Raum und gewährleistet dadurch hohe Nachfeuersicherheit.
Stufe 3: Kühlung
Die Kombination aus Li-ion Tamer und Aerosol-Löschanlage bietet optimale Möglichkeiten zur Brandvermeidung und Brandbekämpfung. Dennoch liegt es in der willkürlichen Natur eines Lithium-Ionen-Brandes, dass nicht jeder Vorgang exakt vorhergesagt werden kann.
degesa fire systems empfiehlt deshalb eine Backup-Kühlmöglichkeit zu installieren. Vor allem bei großen Batteriespeicheranlagen ist es wichtig, die Hitzeentwicklung einzuschränken.
Funktionsweise
Hochdruck-Wassernebel-Systeme eigenen sich aufgrund ihrer Fähigkeit Wärmestrahlung einzudämmen hervorragend als Kühlungsmöglichkeit. Alternativ kann z.B. ein Einfüllstutzen für Löschwasser der Feuerwehr installiert werden.
Der Li-ion Tamer ist das führende System zur Früherkennung von Ausgas-Ereignissen bei Lithium-Ionen-Batterien aller Chemietypen. Elektrolytdämpfe werden zuverlässig detektiert und gemeldet und verschaffen Ihnen damit das alles Entscheidende: Ein Präventionszeitfenster, in dem Schlimmeres noch verhindert werden kann.
Funktionsweise
Mit einer Reaktionszeit von fünf Sekunden werden selbst kleinste Mengen Gas erkannt, sodass eine Frühwarnung an Betreiber erfolgen kann. Dabei besteht die primäre Maßnahme darin, die Batteriemanagementsysteme anzusteuern, sodass die Stromzufuhr zu den Batterien abgeschaltet werden kann. Dadurch kann ein weiterer Anstieg der Temperatur in den Batteriezellen frühzeitig verhindert werden und unter dem Punkt des thermischen Durchgehens gehalten werden.
Aerosol-Löschanlagen haben sich vielfach als effektives System zur Eindämmung von Thermal Runaways bewährt. Das Aerosol schafft im Raum für längere Zeit eine Atmosphäre, in der keine Flammen oder Brände entstehen können. Dadurch wird ein unkontrollierter Temperaturanstieg verhindert und ein Überschlag des Brandereignisses auf umliegende Batteriemodule oder Infrastruktur wird wirksam verhindert.
Funktionsweise
Das Aerosol unterbricht primär die Kettenreaktion des Feuers und unterdrückt dadurch Brände und Flammen. Sekundär wird eine Kühlwirkung erzielt, da dem Feuer die Energie entzogen wird. Es entstehen weder gefährliche und unkontrollierbare Nebenprodukte, noch werden große Mengen Löschmittel benötigt. Das Löschmittel steht dabei in geschlossenen Räumen über längere Zeit im Raum und gewährleistet dadurch hohe Nachfeuersicherheit.
Die Kombination aus Li-ion Tamer und Aerosol-Löschanlage bietet optimale Möglichkeiten zur Brandvermeidung und Brandbekämpfung. Dennoch liegt es in der willkürlichen Natur eines Lithium-Ionen-Brandes, dass nicht jeder Vorgang exakt vorhergesagt werden kann.
degesa fire systems empfiehlt deshalb eine Backup-Kühlmöglichkeit zu installieren. Vor allem bei großen Batteriespeicheranlagen ist es wichtig, die Hitzeentwicklung einzuschränken.
Funktionsweise
Hochdruck-Wassernebel-Systeme eigenen sich aufgrund ihrer Fähigkeit Wärmestrahlung einzudämmen hervorragend als Kühlungsmöglichkeit. Alternativ kann z.B. ein Einfüllstutzen für Löschwasser der Feuerwehr installiert werden.
360° Brandschutzkonzept für Lithium-Ionen-Batterien
Gerne beraten wir Sie zu Ihrem Anwendungsfall.
