Thermisches Durchgehen bei Lithium-Ionen-Akkus
Von einem thermischem Durchgehen (engl. thermal runaway) spricht man in der Chemie, wenn eine Reaktion Wärme entwickelt, sich dadurch Reaktionsgeschwindigkeit erhöht und die Reaktion so außer Kontrolle gerät. Bei Lithium-Ionen-Akkus können durch Hitzeeinwirkung chemische Reaktionen ausgelöst werden, die selbst exotherm ablaufen, also Wärme erzeugen, und sich so selbst beschleunigen. Auch hier spricht man deshalb von thermischem Durchgehen.
Die in Lithium-Ionen-Akkus oft verwendeten Metalloxide zerfallen bei höheren Temperaturen und setzen dabei Sauerstoff frei. Dieser kann mit anderen Materialien der Zelle – z. B. organische Elektrolyte, Graphit oder Kunststoffe – reagieren und so noch mehr Hitze erzeugen. Die entstehenden heißen Gase führen zunächst dazu, dass sich das Gehäuse des Akkus aufbläht. Schließlich treten sie unter hohem Druck in Form einer Stichflamme aus, die auch länger brennen kann. Der Akku kann dabei sogar explodieren.
Neben den Flammen und der Explosionsgefahr stellt auch der schnell entstehende Rauch ein Risiko dar. Er kann unter anderem Salzsäuregas und Flusssäuregas enthalten.
Risikofaktoren für thermisches Durchgehen
Die für ein thermisches Durchgehen notwendige Hitze kann entweder von außen zugeführt werden oder in der Zelle selbst entstehen – etwa durch Überlastung oder einen Kurzschluss. Wichtige Risikofaktoren für ein thermisches Durchgehen sind daher:
- Heiße Umgebung und Sonneneinstrahlung: Lithium-Ionen-Akkus sollten daher nicht in der Nähe von z.B. Flammen oder heißen Motoren und auch nicht in der Sonne gelagert werden. Das gilt insbesondere während des Betriebs und beim Laden, da hier zusätzliche Wärme entsteht. Aufgeheizte Akkus müssen zunächst bis in den Kern abgekühlt sein, bevor sie aufgeladen oder weiter verwendet werden.
- Überladen und Tiefentladen: Wird ein Akku über seiner Ladeschlussspannung geladen oder tiefentladen, kann das zu Schäden führen. Beispielsweise können sich Dendrite bilden. Diese Brücken aus Lithium zwischen den Elektroden können interne Kurzschlüsse erzeugen.
- Externe Kurzschlüsse: Entsteht durch zufällige Kontakte oder defekte Geräte ein Kurzschluss, führt das zu hohen Stromflüssen und einer übermäßig schnellen Entladung des Akkus. Beides kann zu einer Überhitzung führen.
- Mechanische Belastung und Fremdkörper: Durch mechanische Belastung oder eingedrungene Fremdkörper kann es zu einem elektrischen Kontakt zwischen Kathode und Anode kommen. An der Stelle eines solchen Kurzschlusses kann sehr viel Hitze entstehen.
Besonders gefährdet sind daher Annahmestellen für alte Batterien und Akkus. Dort werden regelmäßig Lithium-Ionen-Akkus abgegeben, die mechanisch beschädigt oder tiefentladen sind. Außerdem können in den Sammelbehältern Kurzschlüsse entstehen. Aber auch Handwerker, bei denen oft rau mit den elektrischen Werkzeugen umgegangen wird und bei denen teilweise auch bei großer Hitze gearbeitet wird, können leicht betroffen sein.
Verhalten bei einem thermischen Durchgehen
Ein Lithium-Ionen-Akku, der thermisch durchgeht und deshalb explodiert, kann schwere Verletzungen verursachen. Die Stichflammen können nicht nur Brände auslösen, sondern auch direkt zu schwersten Brandwunden führen. Der beim thermischen Durchgehen entstehende Rauch ist außerdem giftig. Selbst relativ kleine Lithium-Ionen-Akkus wie in Smartphones und E-Zigaretten können daher zu schweren Gesundheitsschäden führen, wenn sie in Brand geraten.
Hinzu kommt, dass brennende Lithium-Ionen kaum zu löschen sind. Das liegt daran, dass das Feuer geschützt innerhalb des Gehäuses entsteht und dabei seinen eigenen Sauerstoff erzeugt. Daher können solche Brände nicht erstickt werden. Im Besten Fall kann lediglich die Ausbreitung des Feuers auf andere Zellen verhindert werden.
Bei einem thermischen Durchgehen sollten daher folgende Maßnahmen ergriffen werden:
- Menschen schützen: Akkus, die sich stark erhitzen, aufblähen oder zu rauchen anfangen, stellen eine akute Gefahr dar. Sie müssen daher von Menschen ferngehalten werden. Beispielsweise sollten sie aus der Hosentasche genommen oder aus der Hand gelegt werden. Räume, in denen ein Akku brennt, sollten umgehend geräumt werden.
- Vom Stromkreis trennen: Tritt die Überhitzung beim Laden oder im Betrieb auf, kann es schon helfen, den Stecker zu ziehen bzw. das Gerät auszuschalten. So kann ein beginnendes thermisches Durchgehen manchmal noch unterbrochen werden.
- Brandausbreitung verhindern: Falls das noch gefahrlos möglich ist, sollten thermisch durchgehende Akkus möglichst weit von anderen brennbaren Materialien entfernt werden – oder umgekehrt. Am besten wird der Akku aus dem Gebäude befördert oder zumindest auf einer nicht brennbaren Fläche abgelegt – beispielsweise in einem Topf oder auf Fliesen.
- Kühlen: In der Frühphase des thermischen Durchgehens lässt sich die chemische Reaktion noch unterbrechen, wenn möglichst viel Hitze abgeführt wird. Daher sollten durchgehende Akkus gekühlt werden. Das gilt sogar bei bereits brennenden Akkus, da so ein thermisches Durchgehen bei weiteren Zellen oft verhindert werden kann. Die wirksamste Methode ist das längere Untertauchen in Wasser.
feuerfeste Boxen für Akkus
Thermisches Durchgehen ist bei Lithium-Ionen-Akkus sehr selten. Es lässt sich aber auch bei vorsichtigem Umgang nie ganz ausschließen. Besonders kritisch ist dabei der Ladevorgang. Wer auf Nummer sicher gehen möchte, kann seine Akkus in einer Akku-Brandschutzbox wie der feuerfesten RETRON BOX aufladen und lagern. Solche Behälter schützen bei Explosionen vor Splittern, verhindern die Brandausbreitung und reduzieren durch Brandschutzkissen die Entstehung von Rauch.
