Brand von Lithium-Ionen-Energiespeicherbatterien: Ursachen, Eigenschaften und Strategien zur Brandbekämpfung!

1. Ursachen von Batteriebränden
Ein Batteriebrand entsteht durch das Zusammenwirken von Oxidationsmitteln, brennbaren Stoffen und Zündquellen. Daher lässt sich der Mechanismus der thermischen Kettenreaktion in Batterien vereinfacht als „thermisches Kettenreaktionsdreieck“ darstellen. Der Verbrennungsprozess kann durch die Zerstörung eines beliebigen Elements dieses Dreiecks beendet werden. Ein tiefes Verständnis des „thermischen Kettenreaktionsdreiecks“ ist daher entscheidend für die effektive Bekämpfung von Batteriebränden.

Bei thermischer, elektrischer oder mechanischer Überlastung kann es in Natrium-Ionen-Batterien zu einem anormalen Temperaturanstieg kommen. Die Materialien im Inneren der Batterie durchlaufen eine Reihe exothermer Reaktionen, die die Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit weiter erhöhen und schließlich ein thermisches Durchgehen auslösen. Die brennbaren Materialien im Prozess des thermischen Durchgehens von Batterien sind komplex und vielfältig. Dazu gehören Graphit als negative Elektrode (brennbarer Feststoff), Elektrolytlösungsmittel (brennbare Flüssigkeit), Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe (brennbare Gase) sowie Metalle (brennbare Metalle). Darüber hinaus ändert sich die Zusammensetzung der brennbaren Materialien während des thermischen Durchgehens kontinuierlich. Die Entwicklung des thermischen Durchgehens hängt nicht allein von der Sauerstoffzufuhr aus der Umgebung ab; die Zersetzung des positiven Elektrodenmaterials bei hohen Temperaturen kann ebenfalls den benötigten Sauerstoff freisetzen. Daher ist ein Batteriebrand ein komplexes und sich ständig veränderndes Brandgeschehen.

2. Brandverhalten der Batterie
Im Vergleich zu herkömmlichen Feuern weist die thermische Durchgehung von Batterien ihre eigenen Besonderheiten auf, die sich wie folgt zusammenfassen lassen:

(1) Hohe Temperaturanstiegsrate. Unter Missbrauchsbedingungen reagiert die Batterie spontan exotherm. Nach dem Einsetzen des thermischen Durchgehens verläuft die interne exotherme Reaktion der Batterie sehr stark, und es wird in kurzer Zeit eine große Wärmemenge erzeugt, wodurch die Batterietemperatur rapide ansteigt. Im Verlauf des thermischen Durchgehens übersteigt die maximale Temperaturanstiegsrate der Batterie sogar 100 °C/s, und die Oberflächentemperatur übersteigt 1000 °C. Eine solch hohe Temperatur übersteigt den Zündpunkt anderer brennbarer Materialien innerhalb und außerhalb des Batteriemoduls bei weitem, was leicht zu größeren Brandunfällen führen kann;

(2) begleitet von einer intensiven Flammenausbreitung und hoher Wärmefreisetzungsrate. Mit steigender Temperatur verstärkt sich die chemische Reaktion im Inneren der Batterie und setzt große Mengen an Gas frei, das sich in der Batterie ansammelt und zu einem allmählichen Anstieg des Innendrucks führt. Sobald ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist, öffnet sich das Sicherheitsventil der Batterie und schleudert eine große Menge brennbarer Gase, Elektrolyte und Materialpartikel aus, was zu einem heftigen Feuer führt, dessen Flammenhöhe sogar 1–2 m erreichen kann.

(3) Das Feuer breitet sich schnell aus. Wenn eines der Batteriemodule ausfällt und eine thermische Überhitzung auslöst, kann die dichte Anordnung die Wärme schnell auf die benachbarte Batterie übertragen, was zu einer Ausbreitung der thermischen Überhitzung innerhalb des Batteriemoduls und somit zu katastrophalen Folgen führt.

(4) Das Feuer ist schwer zu löschen und kann leicht wieder aufflammen. Bei der thermischen Kettenreaktion finden die meisten exothermen Reaktionen im Inneren der Batterie statt. Aufgrund der Gehäusekonstruktion kann das Löschmittel nur schwer in die Batterie eindringen und die Kettenreaktion unterbrechen. Daher wird während des Löschvorgangs weiterhin Wärme in der Batterie erzeugt, was zu einem schwer zu löschenden Brand führt. Selbst wenn das Feuer erfolgreich gelöscht wird, lässt sich die interne chemische Reaktion nur schwer unterdrücken, wenn die Batterietemperatur nicht vollständig gesenkt und die Wärmequelle nicht beseitigt werden kann. In diesem Fall sind die drei Elemente Zündquelle, Brennstoff und Oxidationsmittel noch vorhanden, und der Batteriebrand kann nach dem Ausstoß des Löschmittels leicht wieder aufflammen.

(5) Bei Bränden besteht Explosionsgefahr. Thermische Durchgehprozesse erzeugen eine große Anzahl von Gasen, darunter CO, CO2, CH4, C2H4, H2 und Elektrolytdämpfe.

(6) Das bei einem thermischen Durchgehen entstehende Gas ist giftig. Es ist nicht nur brennbar und explosiv, sondern weist auch eine gewisse Toxizität auf, die eine der Hauptursachen für Opfer darstellt. Kohlenmonoxid (CO) ist eines der giftigsten Gase im Brandfall. Es konkurriert mit Sauerstoff um das Hämoglobin im Blut, verringert dessen Sauerstofftransportkapazität und verursacht hypoxische Schäden im menschlichen Gewebe.

3. Strategien zur Brandbekämpfung
Die Hauptfunktion von Feuerlöschmitteln besteht darin, einen oder zwei Faktoren des Branddreiecks zu eliminieren, um so die Entstehung und Ausbreitung eines Brandes zu verhindern. Die Mechanismen der Brandbekämpfung lassen sich in Isolierung, Erstickung, Kühlung und chemische Bekämpfung unterteilen. Zur Bekämpfung von Batteriebränden werden üblicherweise gasförmige Feuerlöschmittel (Kohlendioxid, Heptafluorpropan, Perfluorhexanon, flüssiger Stickstoff usw.), feste Feuerlöschmittel (Pulver- und Aerosollöschmittel usw.) und flüssige Feuerlöschmittel (Wassersprühnebel, Wassernebel, Schaum usw.) eingesetzt.
Gasförmige Löschmittel werden aufgrund ihrer Vorteile wie Nichtleitfähigkeit, Korrosionsfreiheit, Rückstandsfreiheit und hoher Fließgeschwindigkeit häufig bei Bränden von Präzisionsinstrumenten und elektrischen Anlagen eingesetzt. Gleichzeitig erzielen sie in geschlossenen Räumen eine bessere Brandbekämpfungswirkung. Kohlendioxid (CO₂) und andere Edelgase wirken hauptsächlich durch Ersticken. Da CO₂ die Temperatur von Batterien nur schwer senken kann, ist seine kühlende Wirkung begrenzt und ein vollständiger Batteriebrand schwer zu löschen. Flüssiger Stickstoff hingegen bietet eine gute Kühl- und Löschwirkung bei Batteriebränden und hat daher vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten. Als Alternative zu Halonen mit exzellenten Löscheigenschaften werden Sevofluorpropan und Perfluorhexanon häufig zur Bekämpfung von Batteriebränden eingesetzt. Ihre Löschmechanismen umfassen hauptsächlich Ersticken, Kühlung und chemische Unterdrückung. Sowohl Vergasung als auch Zersetzung absorbieren die Umgebungswärme, senken die Temperatur im Brandgebiet und verdünnen die Sauerstoffkonzentration. Gleichzeitig zersetzen sie sich bei hohen Temperaturen und bilden Fluoride wie CF₃ und CF₂, die freie Radikale abfangen und die Verbrennungskettenreaktion unterbrechen. Dabei entsteht jedoch HF, das in hohen Konzentrationen gesundheitsschädlich und gerätebelastend sein kann.

Feste Feuerlöschmittel wie Trockenpulver und Aerosole zeichnen sich durch hohe Löschwirkung, einfache Lagerung und geringe Kosten aus. Trockenpulver ist ein Feststoffpulver, das durch Trocknen, Zerkleinern und Mischen anorganischer Salze mit hoher Löschwirkung entsteht. Hauptbestandteil von ABC-Trockenpulver ist Ammoniumphosphat, das die Flamme isolieren, ersticken, kühlen und chemisch unterdrücken kann. Nach dem Einbringen des Trockenpulvers in die Flammenzone können die Zersetzungsprodukte bei hohen Temperaturen freie Radikale (H· und HO·) abfangen und so die Verbrennungskettenreaktion unterbrechen. Gleichzeitig absorbiert die Zersetzung des Trockenpulvers Wärme und erzeugt Ammoniak und Wasserdampf, wodurch die Sauerstoffkonzentration in der Flammenzone verdünnt wird. Zusätzlich legt sich das Trockenpulver auf die Oberfläche des heißen Brennstoffs, schmilzt und bildet eine glasartige Schicht, die den Sauerstoff isoliert und den Brennstoff erstickt. Allerdings besitzt ABC-Trockenpulver eine begrenzte Kühlwirkung, und die Temperatur der Brennstoffzelle ist nach dem Einbringen weiterhin hoch, was zu einer erneuten Entzündung führen kann.
Bei flüssigen Feuerlöschmitteln kann der direkte Einsatz großer Wassermengen die Hitze zwar effektiv abführen und ein unkontrolliertes Übergreifen auf benachbarte Batteriezellen verhindern, jedoch besteht die Gefahr von Sekundärexplosionen oder Kurzschlüssen durch Kontakt mit dem Elektrolyten, da nach Beschädigung der Batterie Wasserstoff entsteht. Wassernebel erhöht die Verdunstungseffizienz durch kleinere Tropfen, was eine effizientere Kühlung bei geringerem Wasserverbrauch ermöglicht und gleichzeitig diese Risiken reduziert. Schaumlöschmittel bieten nicht nur eine gute Wärmedämmung, sondern bedecken auch die Oberfläche des brennenden Materials, unterbrechen die Sauerstoffzufuhr und verhindern ein Wiederaufflammen. Sie eignen sich besonders gut zur Bekämpfung von Bränden, die sich ausbreiten oder auf dem Boden auslaufen, sowie von brennbarer Elektrolytflüssigkeit. Für die sichere und effektive Brandbekämpfung ist es jedoch entscheidend, je nach Art des Batteriebrandes die richtige Löschmethode und das passende Löschmittel zu wählen.

Brände von Energiespeicherbatterien gefährden nicht nur die Sicherheit der Anlagen, sondern stellen auch eine ernsthafte Bedrohung für Umwelt und Gesundheit dar. Um Brände zu verhindern und zu bekämpfen, ist es entscheidend, die Brandursache zu verstehen, die Eigenschaften des Feuers zu beherrschen und das geeignete Löschmittel sowie die passende Löschstrategie auszuwählen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Löschtechnik in Verbindung mit sorgfältiger Wartung und Instandhaltung lässt sich das Brandrisiko wirksam reduzieren und der stabile Betrieb des Energiespeichersystems gewährleisten.