Brände von Lithium-Batterien

Lithiumbatterien sind in vielen Verbrauchergeräten zu finden und ermöglichen es den Herstellern, stundenlange Akkulaufzeiten in schlanke Produkte zu packen. Sie stellen aber auch eine Brandgefahr dar, wenn sie beschädigt oder unsachgemäß verwendet werden.

Brände von Lithiumbatterien können für Feuerwehrleute schwierig und gefährlich zu bekämpfen sein. Deshalb hat das Department of Fire Services eine Checkliste zur Unterstützung der Brandermittler veröffentlicht.

Kurzschlüsse

Eine der Hauptursachen für Brände von Lithiumbatterien ist ein Kurzschluss. Ein Kurzschluss tritt auf, wenn der elektrische Strom einen ungewollt kürzeren Weg durch eine Batterie nimmt, als er sollte, was zu einem Energieüberschuss führt, der dann die Zellen überflutet und Metallionen erzeugt, die schließlich die Kapazität der internen Zellen übersteigen und in die Umgebung austreten, wodurch Hitze und brennbare Gase entstehen, die Brände entfachen.

Thermisches Durchgehen ist eine weitere Hauptursache für Brände von Lithiumbatterien. Dies geschieht, wenn die von der Batterie erzeugte Wärme in Kettenreaktionen umgewandelt wird, die zu ihrer Explosion führen, typischerweise durch mikroskopisch kleine Metallpartikel, die mit verschiedenen Teilen in Kontakt kommen und Hitze erzeugen, was zu einer Überhitzung und zur Freisetzung von brennbaren Gasen aus den Zellen führt.

Beim Aufladen von Lithiumbatterien werden Ionen durch den Elektrolyten von der Kathode zur Anode bewegt. Diese Bewegung ist für die ordnungsgemäße Funktion notwendig, kann aber gefährlich sein, wenn sie unterbrochen wird; deshalb ist es wichtig, dass sie in einem isolierten Raum fern von potenziellen Wärmequellen geladen werden.

Die Sauerstoffproduktion ist auch eine der Hauptursachen für Brände von Lithiumbatterien, da erhitzte Anoden und Kathoden Sauerstoffgas produzieren, das durch versehentliches Durchstechen des Batteriegehäuses oder durch chemische Reaktionen, die zu internen Kurzschlüssen in den Zellen führen, entweichen kann.

Brände von Lithiumbatterien können schwer zu löschen sein, und es ist am besten, sie in einem sicheren Bereich brennen zu lassen. Mit Wasser allein ist es nicht getan, da es die Flammen anheizt und gleichzeitig giftiges Wasserstoffgas erzeugt. Besser ist es, stattdessen Schaumlöscher oder ABC-Trockenchemikalien wie Kupferpulver, Natron oder Graphit als Lösung zu verwenden.

Thermisches Durchgehen

Lithiumbatterien sind für den Betrieb innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs ausgelegt. Wenn sie diese Grenze jedoch überschreiten, kann eine Reihe von Reaktionen einsetzen, die als thermisches Durchgehen bekannt sind und brennbare Gase und Feuer erzeugen - ein Grund dafür, dass Brände von Lithiumbatterien bekanntermaßen schwer zu löschen sind; Feuerlöscher auf Wasserbasis dienen nur zur Kühlung, während Lithium-Ionen-Gel-Löscher sofort eingesetzt werden müssen, sobald die Batterie wieder zündet, da sie sich sonst Tage oder Stunden später wieder entzünden könnten.

Thermisches Durchgehen kann bei Lithiumbatterien aus verschiedenen Gründen auftreten, z. B. durch interne Kurzschlüsse, Lithiumplattierung (die Bildung von metallischem Lithium auf einer Anodenoberfläche innerhalb einer Batteriezelle), mechanische Beschädigung wie Durchstoßen oder Fallenlassen, Überladung, Überentladung oder übermäßige Wärmequellen von außen; in seltenen Fällen kann eine Lithium-Ionen-Batterie ohne offensichtliche Ursache thermisch durchgehen - bekannt als thermisches Durchgehen mit verzögerter Zündung.

Ein thermisches Durchgehen kann vermieden werden, indem die Temperatur einer Batterie gesenkt wird, sie innerhalb ihres spezifizierten Temperaturbereichs betrieben wird und sichere Ladeverfahren verwendet werden. Außerdem sollten die Batterien von Wärmequellen ferngehalten und bei Nichtgebrauch abgeklemmt werden.

Forscher haben in einer neuen Studie neue Erkenntnisse über die Ursachen des thermischen Durchgehens in Lithiumbatterien gewonnen, indem sie verschiedene Faktoren untersuchten, die dazu beitragen, wie z. B. die Auswahl des Batteriegehäusematerials und die Zellengröße. Auch statistische Regressionsmodelle für die Energiefreisetzung während des thermischen Durchgehens wurden in dieses Forschungsprojekt einbezogen, das Herstellern, Fahrzeugherstellern und Sicherheitsbehörden wertvolle Erkenntnisse darüber liefert, wie sie ein solches Durchgehen in künftigen Batterien verhindern können.

Erzeugung von Sauerstoff

Ein thermisches Durchgehen tritt auf, wenn in den Batteriezellen statt elektrochemischer Reaktionen interne chemische Reaktionen ablaufen, die Wärme und giftige, entflammbare Gase erzeugen. Wenn die Temperaturen steigen und mehr Wärme erzeugen, beschleunigen sich die exothermen Reaktionen weiter und erzeugen noch mehr Gas. Schließlich verpufft dieses Gemisch zu einer weißen Dampfwolke aus giftigem, entflammbarem Gas, das sich mit Sauerstoff vermischt, bevor es in der Nähe befindliche Zellen entzündet - was eine Kettenreaktion auslösen kann, die sich ausbreitet und alle Lithiumbatterien in einem Flugzeug, Fahrzeug oder Gerät zerstört.

Brände von Lithiumbatterien sind zwar selten, können aber dennoch erhebliche Störungen verursachen und schwer zu beherrschen sein. Eine Methode zur Unterdrückung dieser Brände ist der Einsatz von Kühlmitteln in flüssiger oder fester Form - einschließlich pulverförmigem Graphit, der bei bestimmten Temperaturen schmilzt und eine undurchlässige Decke über dem Feuer bildet; zu den flüssigen Kühlmitteln gehören Wasser sowie technisch hergestellte nicht reaktive Flüssigkeiten wie die 3M Novec-Linie, die potenziell gefährliche PFAS-Chemikalien enthalten, die die menschliche Gesundheit bedrohen.

Wenn ein Batteriebrand ausbricht, hängt seine Verbrennungsgeschwindigkeit sowohl vom verbrauchten Sauerstoff als auch von der durch die interne Kohlenmonoxidproduktion (CO) erzeugten Wärme ab. Die CO-Korrektur für die Kalorimetrie des Sauerstoffverbrauchs eliminiert diesen Effekt, kann aber systematische Fehler von bis zu 10% erzeugen; bei der Interpretation der Ergebnisse von Batteriebrandtests ist es wichtig, diese Fehler zu berücksichtigen; sie werden jedoch in der Regel durch allgemeine Unsicherheiten der Kalorimetrie des Sauerstoffverbrauchs und Annahmen bezüglich des E-Faktors für Batteriegase ausgeglichen; daher kann die Gesamtwärmeabgabe von Batterien um etwa 2kJ/Wh unterschätzt werden.

Übermäßige Hitze

Brände von Lithiumbatterien können sehr heftig und schwer zu löschen sein. Sie können zu erheblichen Sachschäden führen und giftige Gase freisetzen, die eine ernsthafte Bedrohung für die menschliche Gesundheit darstellen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass Brände von Lithiumbatterien an Arbeitsplätzen so früh wie möglich verhindert werden.

Der erste Schritt zur Verhinderung von Batteriebränden ist das Erkennen von Warnzeichen. Dazu gehören ungewöhnliche Hitze, Geräusche, Geruch oder Schwellungen, die auf einen drohenden thermischen Durchschlag oder Kurzschluss hindeuten und sofort behoben werden sollten, um Brände zu verhindern.

Lithium-Ionen-Batterien haben sich zu einer der am häufigsten genutzten Energiespeicherlösungen für Verbraucher und Industrie entwickelt und bieten leistungsstarke tragbare Energielösungen für Geräte von Mobiltelefonen bis hin zu Elektrofahrzeugen. Während Lithium-Ionen-Batterien viele Vorteile bieten, kann sich eine unsachgemäße Handhabung oder Lagerung als fatal erweisen.

Um die sichere Aufbewahrung von Lithiumbatterien zu gewährleisten, ist es am besten, sie nicht grob zu behandeln. Das Fallenlassen einer Batterie kann ihre internen Komponenten beschädigen, was zu einem elektrischen Kurzschluss oder thermischen Durchgehen führen kann. Da Lithiumbatterien altern und häufiger bei höheren Temperaturen zyklieren, nimmt ihre Anfälligkeit für mechanische Schäden mit dem Alter, der Häufigkeit der Zyklen und den erhöhten Temperaturen zu.

Batterien können auch durch extreme Umweltbedingungen beschädigt werden. Wenn sie Regen, salzhaltiger Luft oder Feuchtigkeit ausgesetzt sind, können Batterien schnell an Ladung verlieren und überhitzen, was zu thermischem Durchgehen und Entlüftung mit Flammen führt.

Brände von Lithium-Ionen-Batterien können schwer zu löschen sein. Herkömmliche Feuerlöscher auf Wasserbasis können diese Brände oft nicht vollständig löschen, und sie flammen oft erst Stunden oder Tage später wieder auf; es gibt jedoch spezielle Lithium-Ionen-Feuerlöscher.

Blazestack

Brände von Lithiumbatterien treten immer häufiger auf und stellen eine immer größere Gefahr für die öffentliche Sicherheit dar, da sie das Löschen erschweren und zu erheblichen Sachschäden führen. Die meisten Brände von Lithiumbatterien entstehen durch thermisches Durchgehen, wenn die Batterien überhitzt werden; andere können durch physische Schäden oder Ladeprobleme entstehen.

Brände von Lithiumbatterien stellen eine der größten Gefahren für Gebäude und die darin befindlichen Menschen dar. Sie können sich schnell ausbreiten und große strukturelle Schäden verursachen, die Menschenleben bedrohen. Deshalb ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir die Menschen über die mit wiederaufladbaren Batterien verbundenen Gefahren aufklären.

In letzter Zeit haben batteriebedingte Brände in US-Großstädten wie New York und San Francisco erheblich zugenommen und sich seit 2012 mehr als verdoppelt. Die meisten haben zwar keine Verletzten oder Todesopfer zur Folge, aber viele können erhebliche Schäden an gewerblichen Objekten und Wohnhäusern verursachen.

Es gibt jedoch mehrere Strategien, um Brände von Lithiumbatterien zu verhindern, darunter die ordnungsgemäße Lagerung und Wartung der Batterien. Darüber hinaus wird empfohlen, Metallgegenstände und Wasser fernzuhalten, und die Verwendung feuerfester Behälter für die Lagerung von Lithiumbatterien sollte ebenfalls als bewährte Praxis gelten.

Physische Schäden und elektrische Kurzschlüsse sind zwei häufige Ursachen für Batteriebrände. Batterieversagen oder Überhitzung können einen thermischen Durchschlag auslösen, eine extreme chemische Reaktion, bei der scharfe Lithiumnadeln in Separatorzellen eindringen und interne Kurzschlüsse verursachen; durch Risse in der Hülle des Batteriegehäuses können brennbare Elektrolyte mit Luft oder Wärmequellen in Kontakt kommen und sich entzünden.