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Lithium Batterie



Sicherheit

 

Sicherheit der Lithium Batterie

LAGERN VON LITHIUM-BATTERIEN

Bei der Lagerung von Lithium-Batterien muss unabhängig davon, ob es sich um frisch angelieferte Einzelzellen, um neue aber bereits zum Batteriepack assemblierte Batterien oder um teilentladene bereits benutzte Batteriepacks handelt, immer davon ausgegangen werden, dass eine oder mehrere Zellen potentielle Brandauslöser darstellen. Da im Einzelnen in der Regel nicht bekannt ist, ob und wenn ja welche Vorbelastung die Batterien gesehen haben, ist immer vom schlimmsten anzunehmenden Fall auszugehen.

Was passiert in den Zellen?

Primären Zellen, z.B., bestehen aus einer Lithium-Elektrode, einem organischen, flüssigen lithiumionenleitfähigen Elektrolyten und Separator und z.B. einer Mangandioxid-Elektrode. Beim Entladen der Zelle, wandern Lithium-Ionen (Abgabe eines Elektrons zur negativen Elektrode – Minuspol) aus dem metallischen Lithium durch den Elektrolyten in die Mangandioxid-Elektrode, die zu Lithiummangandioxid umgesetzt wird. Dabei wird metallisches Lithium verbraucht.

Der flüssige organische Elektrolyt reagiert mit dem metallischen Lithium. Dabei entstehen feste und gasförmige Reaktionsprodukte. Die gasförmigen Reaktionsprodukte sind in diesem Fall für den Druckanstieg in der Zelle verantwortlich. Hauptsächliche Bestandteile des gasförmigen Reaktionsproduktes sind Wasserstoff und Ethylen. Die festen Reaktionsprodukte lagern sich auf der Oberfläche des metallischen Lithiums ab. Da sie lithiumionenleitend sind, stellen sie kein Problem für die Funktion der Batterie dar. Durch die Bildung dieser so genannten Deckschicht auf der Lithium-Oberfläche wird diese praktisch passiviert, wodurch keine weitere Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyten möglich ist.

Diese Deckschichtbildung findet beim Zusammenbau der Zelle statt, oder es wird bereits passiviertes Lithium eingesetzt, das ist von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich. Wenn die Deckschichtbildung beim Zusammenbau der Batteriezelle stattfindet, darf das Batteriegehäuse erst nach vollständiger Ausbildung druckdicht verschlossen werden.

Was kann in gestressten/gealterten Zellen passieren?

Bei mechanischer, thermischer Belastung der Batteriezellen, kann es zum Aufbrechen der Deckschicht kommen. In diesem Fall findet erneut eine Reaktion zwischen dem Lithium und dem Elektrolyten statt. Da die Zelle aber jetzt druckdicht verschlossen ist, baut sich durch die Bildung gasförmiger Reaktionsprodukte ein Innendruck im Zellinneren auf. Des Weiteren ist die Deckschichtbildung eine exotherme Reaktion, d.h. Wärme wird abgegeben, die zu einer zusätzlichen Beschleunigung der Reaktion führt. Es ist auch bekannt, dass die Deckschichtbildung bei höheren Temperaturen nicht zu einer schnellen Passivierung des Lithiums (wie bei RT) führt auf Grund der höheren Reaktivität.

Was sollte beim Lagern beachtet werden?

Um das sich daraus ergebende Risiko beim Lagern zu minimieren, gilt es folgende Punkte zu beachten:

  • es muss immer davon ausgegangen werden, dass jede einzelne Zelle potentiell einen Brand auslösen kann
  • möglichst kleine Mengen an einem Ort lagern
  • Zellen in kleinstmöglichen Stückzahlen feuchtigkeitsdicht in durchsichtige Folie einschweißen
  • Gewährleistung eines engen Temperaturbereiches um 20°C (möglichst konstant)
  • Lagerraum von außen deutlich als Lithium-Batterie-Lager kennzeichnen, mit Hinweis auf metallisches Lithium für Feuerwehr (eventuell Feuerwehr im Vorfeld darauf hinweisen)
  • Brandbekämpfungsmöglichkeiten vorbereiten / installieren (siehe unten)

Wie sollten geschädigte Batterien gelagert werden?

Batterien die nachweislich schon einmal im Betrieb heiß geworden sind oder die sichtbare Beschädigungen bzw. Verformungen am Gehäuse aufweisen, sollten auf jeden Fall getrennt gelagert und so bald als möglich dem Entsorger mit einem entsprechenden Hinweis übergeben werden.

Besteht der Verdacht, dass das Gehäuse undicht ist, sollte die Batterie unter einem Paraffinöl aufbewahrt und so auch dem Entsorger übergeben werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Lithiumzelle in eine große Menge Wasser zu geben und unter Wasser mechanisch zu zerstören, damit das Lithium abreagieren kann.

In jedem Fall sind solchen Zellen als potentiell explosiv zu handhaben, d.h. entsprechende Schutzkleindung zu tragen.

LÖSCHEN VON LITHIUM-BATTERIE - BRÄNDEN

Zum Löschen von Lithium-Bränden werden zwei Möglichkeiten diskutiert.

  1. Löschen mit Wasser
  2. Abdecken mit Sand, Öl, Metallbrandlöscher etc.

Löschen mit Wasser

Das Löschen mit Wasser hat den großen Vorteil, dass alle geschädigten Zellen, deren Gehäuse offen ist, endgültig durch den Kontakt mit Wasser abbrennen. Da solche Brände immer mit sehr großen Mengen Wasser gelöscht werden müssen, werden Zellen deren Gehäuse nicht beschädigt ist gut gekühlt und vor einer Schädigung / Explosion bewahrt.

Nach dem Löschen kann man alle Zellen in unbeschädigten Folienverpackungen bedenkenlos verwenden. Zellen in beschädigten Folienverpackungen sollten entweder begutachtet oder entsorgt werden.

Abdecken mit Sand, Öl, etc

Das Abdecken mit Sand, Öl oder einem Metallbrandpulverlöscher entzieht dem Brandherd nur den zur Verbrennung notwendigen Sauerstoff. Damit ist zwar die Verbrennung unterdrückt aber das Problem nicht gelöst. Diese Methode birgt auch ein nicht unerhebliches Gefährdungspotential in sich: Bei Entfernen der Abdeckung kann durch die schlagartige Sauerstoffzufuhr zum heißen Schwelherd eine starke Verpuffung auftreten. Des Weiteren wird mit dieser Methode kaum gekühlt, d.h. die Reaktion zwischen dem Lithium und organischen Bestandteilen der Batterie, wie z.B. dem Elektrolyten, werden nicht unterdrückt.

Bildung von zündfähigen Gasgemischen

Sowohl bei der Reaktion des Lithiums mit dem Elektrolyten (oder anderen organischen Substanzen) als auch bei der Reaktion des Lithiums mit dem Löschwasser entsteht Wasserstoff. Dieser Wasserstoff kann unter Umständen mit der Umgebungsluft zündfähige Gemische bilden.

Wasserstoff/Luft-Mischungen sind in einem sehr weiten Mischungsverhältnis zündfähig (4 bis 75 Vol.% H2 in Luft) und sie benötigen eine sehr niedrige Zündenergie ( ~ 0,02 mJ), so dass bereits geringe elektrostatische Entladungen als Zündquelle ausreichen. Im Mischungsbereich von 18 bis 59 Vol.% sind Wasserstoff/Luft Mischungen detonationsfähig [1].

Wasserstoff/Luft-Mischungen im richtigen Mischungsverhältnis bilden sich aber bevorzugt in kleineren Räumen. In einem Lagerraum, der zusätzlich auch noch belüftet ist, ist dies eher unwahrscheinlich.

Diese Hinweise erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.



Explosion   = die Geschwindigkeit mit der die Reaktionsfront durch die Gasmischung läuft liegt unter der Schallgeschwindigkeit; in einem geschlossen Behälter entsteht ein Druck von ca. 8 bar.

Detonation = die Reaktionsfront läuft mit ca. 2 km/s durch die Gasmischung, es können Drücke bis 14,7 bar auftreten.


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