Batterien sind überall. Sie können alles mit Energie versorgen, von Spielzeug und Smartphones bis hin zu Herzschrittmachern, Rauchmeldern und autonomen Fahrzeugen. Der Fokus dieses Artikels liegt auf zwei Arten von Batterien, die aufgrund der Ähnlichkeit ihrer Namen oft verwechselt werden: Lithium- und Lithium-Ionen-Batterien.
Beide Arten gibt es in allen Formen und Größen. Es gibt jedoch Unterschiede zwischen diesen Batterien. Unterschiede, die für die Brandbekämpfung äußerst wichtig sind. Wenn es zu einer Vermischung von Lithium- und Lithium-Ionen-Batterien kommt – beispielsweise in einer Recyclinganlage – sollten die beiden Batterietypen vollständig voneinander getrennt werden, da die Löschstrategien für die Batterien nicht kompatibel sind.
Was man über Batterien wissen sollte
Alle Batterien bestehen aus denselben drei Grundkomponenten: der Anode (negative Seite), der Kathode (positive Seite) und einer Art Elektrolyt. Wenn die Kathode und die Anode einer Batterie miteinander verbunden sind, kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen ihnen und dem Elektrolyten. Die Elektronen fließen von der Anode durch den Stromkreis und treten dann über die Kathode wieder ein, was eine chemische Reaktion auslöst. Diese Reaktionen laufen so lange, bis die Materialien verbraucht sind und die Batterie keinen Strom mehr erzeugt.
Sowohl Lithium- als auch Lithium-Ionen-Batterien erzeugen Strom auf diese Weise. Das in Lithiumbatterien verwendete Metall Lithium hat einzigartige Eigenschaften, die es als negative Elektrode besonders geeignet machen. Es ist eines der leichtesten Metalle im Periodensystem und hat außerdem das größte elektrochemische Reduktionspotenzial, wodurch es die größte Energiedichte pro Gewichtseinheit aufweist. In Lithium-Ionen-Batterien wird kein reines metallisches Lithium verwendet. Stattdessen wird es mit anderen Materialien gemischt.
Lithiumbatterien sind Primärzellenbatterien. Sie haben eine hohe Ladungsdichte, so dass sie mehr Energie speichern können und viel länger halten als andere Batterien. Die Haltbarkeit einer Lithiumbatterie ist bis zu viermal länger als die von Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind außerdem einfach herzustellen und viel billiger als Lithium-Ionen-Batterien. Allerdings können Lithiumbatterien nicht sicher und einfach wieder aufgeladen werden, was schließlich zur Erfindung der Lithium-Ionen-Batterien führte.
Lithium-Ionen-Batterien sind Sekundärbatterien. Die Elektroden der Batterie bestehen aus Lithium in Kombination mit vielen anderen Materialien, d. h. sie bestehen nicht aus metallischem Lithium. Sie sind außerdem sehr ladefähig und müssen vor dem Aufladen nicht vollständig entladen werden. Verglichen mit der Einfachheit der Lithiumbatterie sind diese Batterien sehr komplex. In einer Lithium-Ionen-Batterie befinden sich mehrere Lithium-Ionen-Zellen, die die Energie speichern und bereitstellen. Kathode und Anode sind durch eine dünne Folie aus "mikroperforiertem" Kunststoff getrennt, die verhindert, dass sich die beiden Elektroden berühren. Im Inneren der Batterieeinheit überwacht und regelt ein kleiner Computer die Temperatur, die Spannung und den Ladezustand der Batterie. Dieses winzige System hält die Batterie funktionsfähig. Lithium-Ionen-Batterien sind zwar selten, aber anfällig für Brände und Explosionen, die zum Austritt brennbarer Gase führen können.
Industriebrand in Morris, Illinois
Am 30. Juni 2021 brach in einer verlassenen Lagerhalle in Morris, Illinois, ein gewaltiger Industriebrand aus. Schwarze, giftige Rauchwolken waren schon von weitem zu sehen. Als die Feuerwehrleute eintrafen, wussten sie nicht, was in der Lagerhalle gelagert wurde. Sie begannen die Brandbekämpfung mit dem Einsatz von Löschwasser, was zu einer erhöhten Intensität des Feuers und gelegentlichen großen Explosionen aus dem Inneren des Lagers führte.
Als der Eigentümer des Gebäudes eintraf, gab er an, keine Versicherung für das Gebäude zu haben und dass er in dem 70.000 Quadratmeter großen Lagerhaus Materialien lagerte. Er beabsichtigte, Ende des Jahres ein Geschäft mit Solarenergie zu eröffnen. Dazu erwähnte er auch, dass er vorhatte, das Dach am Ende der Woche zu reparieren. Er vermutete, dass Wasser das Feuer ausgelöst haben könnte, indem es vom Dach auf die Batterien tropfte. Zur Überraschung der Feuerwehrleute und der Stadtverwaltung wusste niemand, dass das verlassene Lagerhaus zur Lagerung von Hunderten von Batterien genutzt wurde. Nachdem sie von den Batterien erfahren hatten, verzichteten die Feuerwehrleute auf den Einsatz von Wasser oder Schaum und beschlossen stattdessen, das Feuer brennen zu lassen.
Während das Feuer weiter brannte, mussten aufgrund der giftigen Dämpfe und des die in die Luft gelangten Rauchs fast 1.000 Anwohner evakuiert werden. Die Feuerwehr und andere staatliche Stellen wandten sich an die EPA (Environmental Protection Agency) und andere Feuerwehreinrichtungen, um zusätzliche Ratschläge zu erhalten, wie das wachsende Feuer gelöscht werden kann. Sie setzten 1.000 Pfund einer trockenen Chemikalie namens Purple-K (Kaliumbicarbonat, Handelsname Ansul) ein, um es damit zu ersticken. Nach Angaben von Beamten, die damals vor Ort waren, „lachte das Lithiumfeuer“ über das Purple-K. Anschließend pumpten die Beamten 28 Tonnen trockenen Zement in das Lagerhaus, um die brennenden Batterien abzudecken. Der Brandherd selbst war etwa einen Meter tief und bedeckte eine Fläche von etwa 30 mal 40 Metern. Das Feuer wurde schließlich gelöscht, aber die EPA überwachte die Luftqualität in dem Gebiet noch etwa drei bis vier Tage lang. Nachrichtenquellen berichteten später, dass in dem Lagerhaus fast 200.000 „Lithiumbatterien“ gelagert waren, die von Handybatterien bis hin zu großen Autobatterien reichten.
Wenn die Kathode und die Anode einer Batterie miteinander verbunden sind, kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen ihnen und dem Elektrolyten.
Zusammenfassung
Die meisten Brände und Explosionen von Lithium-Ionen-Batterien sind auf ein Problem mit Kurzschlüssen zurückzuführen. Dies geschieht, wenn der Kunststoffseparator versagt, so dass sich Anode und Kathode berühren können. Sobald sie zusammenkommen, beginnt die Batterie zu überhitzen. Sobald eine Zelle überhitzt ist, kann es zu einem Dominoeffekt kommen, der als „thermisches Durchgehen“ bezeichnet wird. Bei Batterien mit Hunderten von Zellen kann thermisches Durchgehen zu einem großen Problem werden. Bis alle potenziell beschädigten Lithium-Ionen-Batterien nach einem Brand aus dem Bereich entfernt sind, muss rund um die Uhr eine Brandwache anwesend sein, da Brände von Lithium-Ionen-Batterien bekanntlich jederzeit wieder aufflammen können, von Minuten bis zu Tagen nach dem ersten Ereignis.
Bei chemischen Bränden ist die Rauchverschmutzung gegenüber der Wasserverschmutzung in Form von aggressivem Wasser- oder Schaumeinsatz ein großes Problem. Aus diesem Grund sind Sprinkler so wichtig. Wo Sprinkler nicht eingesetzt werden können, z. B. bei großen Mengen an metallischem Lithium, werden stattdessen fest installierte Speziallöschsysteme verwendet. In jedem Fall haben die fest installierten Systeme das Feuer schnell unter Kontrolle. Da nicht so viel Wasser verwendet wird, ist das Problem des Abfließens und der Bodenkontamination geringer. Für die endgültige Löschung wird Wasser aus einem Feuerwehrschlauch verwendet oder andere Spezialmittel für metallisches Lithium. Manchmal werden Wassertauchtanks verwendet, um ein Wiederaufflammen von Lithium-Ionen-Batterien zu verhindern. Dies geschieht natürlich im Freien.
Einige Feuerwehren in Europa verwenden einen Kran, um ein Auto in einen Tauchtank der Größe von Bauschuttcontainern zu tauchen, um einen thermischen Durchzündungsbrand zu löschen. Klasse-D-Mittel sind bei Bränden von Lithium-Ionen-Batterien nicht erforderlich. Andere Mittel können das Feuer zwar eindämmen, kühlen aber die Zellen nicht, was für das Löschen des Feuers entscheidend ist. Mittel der Klasse D werden nur für große Mengen metallischen Lithiums benötigt. Allerdings ist hier nicht jedes Mittel der Klasse D tauglich. Es muss speziell für Lithium zugelassen sein. Da das bereits erwähnte Kaliumbicarbonat viel leichter erhältlich ist als andere Pulver für Lithiumbrände, wird es oft als Ersatz verwendet – mit ähnlichen Ergebnissen wie beim Brand in Morris.
Sprinkler sind in der Regel bei Lithiumbatterien wirksam, die für den Verbrauchermarkt verpackt sind (z. B. AAA-D-Zellen). Lithiumbatterien sind in der Regel kleiner, und wenn sie zusammen mit anderen Verbrauchsgütern oder in einer Auslage im Einzelhandel verpackt sind, ist die vorhandene Menge so gering, dass Sprinkler und normale Wasserschläuche immer noch zum Löschen eines Brandes eingesetzt werden können. In Produktionsanlagen werden hingegen spezielle Mittel wie Argon benötigt, um das metallische Lithium in der Lithiumbatterie zu schützen. Ein Mittel namens Lith-X (Handelsmarke von Ansul) kann für primäre Lithiumbrände verwendet werden, oder es kann trockenes reaktionsträges Material (wie Zement) genutzt werden, sofern es verfügbar ist.
Mit der zunehmenden Beliebtheit von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien werden diese nun auch in Energiespeichersystemen (ESS) eingesetzt. Die NFPA (National Fire Protection Association) hat mit Unterstützung von FM Global ein Merkblatt herausgegeben, das sich mit den Problemen bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien in ESS befasst. Dazu gehören thermisches Durchgehen, gestrandete Energie (die Möglichkeit, dass sich ein Feuer wieder entzündet), die Entstehung von giftigen und brennbaren Gasen und der Bedarf an großen Mengen Wasser, um die bei ESS-Bränden entstehende Hitze effektiv abzuführen, da die Kühlung des heißesten Teils des Feuers oft schwierig ist.
Die eigenen Batterien zu kennen, kann bei der Bekämpfung eines Batteriebrandes den entscheidenden Unterschied ausmachen.
