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Gefahren im Umgang mit Lithium-Ionen Akkus

Bauartbedingt bergen Lithium-Akkus ein erhöhtes Gefahrenpotential – die damit verbundenen Brandrisiken können jeden Gewerbebetrieb treffen. In diesem Artikel werfen wir einen eingehenden Blick auf mögliche Gefahren im Umgang mit Lithium-Energiespeichern.

Eine brandgefährliche Technologie?

Lithium-Ionen Akkumulatoren sind eine vergleichsweise junge Technologie. Doch seit ihrer Markteinführung Anfang der 90er Jahre haben sie den Markt für Energiespeicher nachhaltig geprägt und alte Technologien nach und nach verdrängt. Heute sind Lithium-Akkus nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken – und das aus gutem Grund: Sie können besonders klein und gleichzeitig sehr effizient sein und sind daher für eine Vielzahl von Anwendungen interessant. Nicht nur Smartphones und Tablets beziehen ihre Energie aus Lithium-Akkus, auch im Bereich Elektromobilität spielen sie eine wichtige Rolle. Lithium-Energiespeicher punkten hier unter anderem durch ihre hohe Energiedichte bei geringem Eigengewicht und einer schnellen Aufladung.

Die Kehrseite der Medaille: Immer wieder hört man von gefährlichen Vorfällen im Zusammenhang mit Lithium-Ionen Akkus. Im Jahr 2017 sorgte ein Parkhausbrand in Hannover für Schlagzeilen – verursacht wurde er durch den Akku eines E-Bikes. 2018 starb ein Mann aus Hamburg bei der Explosion eines Akku-Ladegerätes. Keine Frage: Explosionen und Brände von Lithium-Ionen Akkus können verheerende Folgen haben, indem sie teure Folgeschäden verursachen oder im schlimmsten Fall Menschenleben kosten. Daher stellt sich nicht nur für Privatpersonen sondern vor allem auch für Betriebe die dringende Frage nach einer möglichst sicheren Handhabung und Lagerung. Denn Fakt ist: §5 ArbSchG verpflichtet Arbeitgeber zur Ermittlung und Beurteilung von Gefährdungen sowie zur Umsetzung geeigneter Schutzmaßnahmen.

Hohe Sicherheitsstandards bei Serienprodukten

Bei den heutigen Fertigungsstandards sind Lithium-Akkus als vergleichsweise sicher anzusehen. So werden in der Regel bereits seitens des Herstellers verschiedene Sicherheitstests durchgeführt, bevor (Serien-)Produkte in den Verkehr gebracht werden. Zum Beispiel ist eine Beförderung von Lithium-Energiespeichern nur dann zulässig, wenn ein Testzertifikat nach UN 38.3 vorliegt. Zur Erlangung dieses Zertifikats müssen einige Versuchsreihen erfolgreich absolviert werden, bei denen die Akkus unter verschiedenen Transportbedingungen getestet werden. Dazu gehören:

  • Höhensimulation
  • Thermische Prüfung
  • Schwingung
  • Schlag
  • Äußerer Kurzschluss
  • Aufprall / Quetschtest
  • Überladung
  • Erzwungene Entladung

Da die Akkus bei solchen Tests bis über ihre Belastungsgrenzen hinaus beansprucht werden können, finden sie unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen statt. Viele unserer Kunden führen zusätzlich eigene Testreihen durch, z.B. um die Sicherheit der Akkumulatoren in Verbindung mit ihren Produkten zu verifizieren. Dafür nutzen Sie Technische Raumsysteme von DENIOS als sichere Testumgebung.

Um die Sicherheit von Lithium-Ionen Akkus zu erhöhen, können Hersteller diese bereits auf Zellebene mit verschiedenen Sicherheitseinrichtungen ausstatten. Wird innerhalb der Zelle ein entflammbarer Elektrolyt eingesetzt, können zum Beispiel flammhemmende Additive beigefügt werden, um besseren Schutz zu gewährleisten. Auch eine crashsichere Unterbringung des Akkumulators in einem korrosionssicheren Gehäuse mit feuerhemmendem Schaum kann eine wirkungsvolle Maßnahme sein.

Der "Thermal Runaway"

Trotzdem sollte man im Umgang mit Lithium-Ionen Akkus besondere Vorsicht walten lassen – denn immer wieder kommt es zu gefährlichen Bränden. Wenn etwas passiert, sind die Folgen oft verheerend. Die Gefahr ergibt sich aus der Bauweise des Akkus selbst. Wo Materialien mit hohen Energiedichten und hochentzündliche Elektrolyte zusammen kommen, bilden diese im wahrsten Sinne des Wortes eine brandgefährliche Mischung. Besonders gefährlich wird es immer dann, wenn eine Lithium-Batterie ihre gespeicherte Energie unkontrolliert abgibt. Denn sobald die entstehende Wärme den Schmelzpunkt des Seperators überschreitet, kommt es zu einer nicht mehr kontrollierbaren Kettenreaktion, dem gefürchteten „Thermal Runaway“ (thermisches Durchgehen).

Die hohe Wärmeenergie führt dabei zunächst zu einer Verdampfung der Elektrolyflüssigkeit, wodurch zusätzliche Wärme und brennbare Gase entstehen. Steigt der Druck über einen gewissen Punkt an, werden die brennbaren Gase frei und bilden ein zündfähiges Gemisch mit der Luft – Flammen entstehen an der Außenseite der Batterie. Bereits das thermische Durchgehen von nur einer Zelle genügt, um die benachbarten Zellen des Akkublocks so weit aufzuheizen, dass eine folgenschwere Kettenreaktion entsteht. Ist diese einmal in Gang gesetzt, dauert es nur wenige Minuten bis zum explosionsartigen Abbrennen des Akkus. Solche Brände mit Lithium-Ionen-Batterien lassen sich nur schwer beherrschen und das Feuer breitet sich schnell aus. Der Feuerwehr bleibt oft nur, benachbarte Bereiche zu schützen.

Häufige Brandursachen

Im Normalbetrieb gilt das Benutzen von Lithium-Batterien als sicher. Doch dies gilt laut VDE nur, solange jeder ordnungsgemäß mit ihnen umgeht. Werden Lithium-Ionen Akkus beispielsweise fehlerhaft gehandhabt oder gelagert, können sie ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen. Auch werksseitige technische Defekte können nicht immer von vornherein ausgeschlossen werden.

Diese 3 Dinge sind besonders gefährlich:

Elektrische Überlastung

Mechanische Beschädigung

Thermische Überlastung

Elektrische Überlastung

Ein typisches Risiko im Umgang mit Lithium-Akkus ist tatsächlich ganz alltäglich: Nämlich das Auf- und Entladen. Eine elektrische Überlastung kann hier aus etlichen Gründen auftreten, z.B. durch die Verwendung eines falschen Ladegerätes. Aber auch in Folge einer Tiefentladung kann es zum Brandfall kommen. Sind Lithium-Ionen Akkus für längere Zeit nicht in Gebrauch, können sie sich vollständig entladen. Falsche Lagerbedingungen – zum Beispiel die Aufbewahrung außerhalb der vom Hersteller empfohlenen Lagertemperatur – können diesen Effekt begünstigen. Hier kommt es zur Zersetzung der Elektrolytflüssigkeit und in Folge dessen zur Bildung leicht brennbarer Gase. Wird anschließend versucht, die tiefentladenen Lithium-Ionen Zellen wieder aufzuladen, kann die zugeführte Energie durch das Fehlen von Elektrolytflüssigkeit nicht mehr korrekt umgesetzt werden. Es kann zum Kurzschluss bzw. zum Brand kommen.

Mechanische Beschädigungen

Bei der Handhabung von Lithium-Ionen Akkus besteht immer auch ein gewisses Risiko, diese zu beschädigen. Kollisionen mit Betriebsfahrzeugen, ein Sturz auf harten Boden oder Quetschen bei falschen Lagerbedingungen sind nur einige Beispiele für mechanische Beschädigungen. Werden Zellen in Folge dessen deformiert, kann das zu inneren Kurzschlüssen und zum Brand des Akkus führen. Auch können Verunreinigungen bei der Produktion der Zellen selbst nicht zu 100% ausgeschlossen werden. In seltenen Fällen kann es passieren, dass Partikel, die fälschlicherweise bei der Produktion in die Zelle gelangen, diese im Laufe der Zeit von innen schädigen. Auch hier können dann innere Kurzschlüsse auftreten.

Thermische Überlastung

Externe Wärme- oder Energiequellen können Lithium-Akkus aufheizen und so durch thermische Überlastung zu einem Brand führen. Typische Gefahrenquellen sind zum Beispiel offenes Feuer, heiße Maschinenteile oder eine Lagerung unter direkter Sonneneinstrahlung.

Generell gilt:

Das Gefährdungspotential von Lithium-Ionen Akkus steigt, je mehr Energie die verwendeten/gelagerten Akkus speichern können und je größer die Menge ist, die gelagert wird. Dies, sowie Ihre individuellen betrieblichen und baulichen Gegebenheiten, Prozesse und organisatorische Randbedingungen sollten immer im Einzelfall im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung bewertet werden.

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