Thermal Runaway verstehen: Auslöser und Mechanismus
Thermal Runaway bezeichnet eine selbstverstärkende Wärmereaktion in einer Lithium-Zelle: Steigt die Zelltemperatur über einen kritischen Schwellwert, setzen exotherme Reaktionen ein — Elektrolytzerfall, Separator-Kollaps, Reaktion des freigesetzten Lithiums mit Feuchtigkeit oder Sauerstoff. Die freigesetzte Wärme beschleunigt die Reaktion weiter, bis die Zelle thermisch versagt. Benachbarte Zellen werden dabei erhitzt und können ebenfalls in den Runaway geraten — das sogenannte cell-to-cell propagation.
Auslöser sind drei Kategorien: Mechanisch — Eindringen eines leitfähigen Gegenstands (Nagel, Splitter), starke Deformation durch Aufprall oder Quetschung; Thermisch — externe Hitzequellen (Brand in der Umgebung, fehlende Kühlung), Dauerbetrieb außerhalb des Temperaturbereichs; Elektrisch — Überladung über die Zelloberspannung hinaus, Tiefentladung unter die Untergrenze, externer Kurzschluss. Ein intaktes BMS verhindert die elektrischen Auslöser zuverlässig. Mechanische und thermische Einflüsse erfordern konstruktive Maßnahmen am Pack und an der Einbausituation.
Sichere Lagerung: SoC, Temperatur, Abstände, Brandabschnitte
Die Lagerung von Lithium-Akkupaketen im Industriebetrieb folgt klaren Regeln. State of Charge (SoC): Für längere Lagerung (Wochen bis Monate) empfiehlt sich ein SoC von 30–50 %. Vollgeladene Packs (SoC >80 %) altern schneller und tragen bei einem Brandereignis mehr Energie bei. Tiefentladene Packs (<10 %) können durch Selbstentladung unter die Untergrenze fallen, was die Anode irreversibel schädigt.
Temperatur: Lithium-Akkus sollten zwischen +5 °C und +25 °C gelagert werden. Kälte reduziert die Selbstentladung, Wärme beschleunigt Alterung und erhöht den Innendruck. Direkte Sonneneinstrahlung oder Lagerung nahe Wärmequellen ist zu vermeiden.
Räumliche Trennung und Brandabschnitte: Lagerräume für Lithium-Akkus sollten als eigene Brandabschnitte ausgeführt sein — Brandschutzklasse F30 oder besser. Mindestabstände zu brennbaren Materialien und zu Fluchtwegen sind einzuhalten. Die DGUV-Informationsschrift 209-066 gibt konkrete Richtwerte für gewerbliche Betriebe. Größere Lagermengen erfordern eine Abstimmung mit dem Brandschutzbeauftragten und gegebenenfalls der zuständigen Behörde.
Visualisierung und Kennzeichnung: Gelagerte Packs müssen klar gekennzeichnet sein (Spannung, Kapazität, Chemie). Defekte oder beschädigte Packs sind sofort zu isolieren und separat zu lagern — nicht im selben Regal wie intakte Einheiten.
Brandschutzmaßnahmen und Normen
Im gewerblichen Umfeld sind mehrere Normen und Richtlinien relevant. IEC 62619 definiert Sicherheitsanforderungen für stationäre und mobile Lithium-Zellen und -Akkus. UN 38.3 regelt die Transportprüfungen (Vibration, Schock, thermische Belastung, Überladung, Kurzschluss, Crush) — für jeden Akkupack, der transportiert oder geliefert wird, muss ein entsprechender Prüfnachweis vorliegen.
Für den Brandschutz im Betrieb gilt: Rauchmelder in Lagerbereichen sind Pflicht. Für größere Akkubestände empfehlen Brandschutzgutachter oft automatische Löschanlagen — wobei Wasserlöschanlagen (Sprinkler) für Lithium-Ionen-Akkus grundsätzlich geeignet sind. Löschdecken aus Brandschutzgewebe können einzelne Packs während eines beginnenden Thermal Runaway einschließen und die Flammen- und Rauchentwicklung vorübergehend begrenzen, ersetzen aber kein Löschwasser.
Im AGV-Betrieb gilt zusätzlich: Fahrzeuge mit auffälligem Temperaturverhalten (heißes Gehäuse, ungewöhnlicher Geruch, aufgeblähtes Gehäuse) sind sofort aus dem Betrieb zu nehmen und in einem sichereren Bereich abzustellen — möglichst auf feuerfestem Untergrund und mit ausreichend Abstand zu anderen Fahrzeugen und Regalen.
Richtiges Löschen von Lithium-Bränden
Der verbreitete Mythos, dass Wasser bei Lithium-Bränden verboten ist, stammt aus der Chemie von elementarem Lithium-Metall (z.B. in der Primärzelle oder in der Lithium-Metallurgie) — nicht von Lithium-Ionen-Akkus. Bei einem brennenden Lithium-Ionen-Akkupack reagiert Wasser nicht mit dem Lithium in den Elektroden (das als interkaliertes Lithium vorliegt), sondern kühlt den Pack. Großmengen Wasser sind das wirksamste Mittel, um den Thermal Runaway zu kühlen und auf benachbarte Zellen auszudehnen.
Feuerwehren empfehlen in der Praxis: Den brennenden Pack nach Möglichkeit in einen mit Wasser gefüllten Behälter (Metallwanne, IBC-Container) zu legen oder kontinuierlich mit Wasser zu überfluten. Das Ziel ist Kühlung unter die Reaktionsschwelle — die Chemie kann dabei Stunden aktiv bleiben, ohne erneut zu entzünden, solange ausreichend Kühlung aufrechterhalten wird. CO₂-Löscher ersticken den sichtbaren Flammenbereich, haben aber keinen Kühleffekt auf die Zellreaktion selbst und sind bei größeren Packs nicht ausreichend. Trockenlöscher verschmutzen die Anlage und beeinträchtigen die Sicht, kühlen aber ebenfalls nicht.
Nach einem Brandereignis ist der betroffene Pack als Gefahrgut zu behandeln und durch einen spezialisierten Entsorger abzuholen. Auch wenn der Pack äußerlich intakt aussieht, ist er aus dem Betrieb zu nehmen — thermisch geschädigte Zellen können Stunden bis Tage nach dem Ereignis erneut in Thermal Runaway geraten.
Wie BMS und Zellchemie das Risiko senken
Ein korrekt ausgelegtes BMS verhindert die elektrischen Hauptauslöser von Thermal Runaway zuverlässig: Es sperrt das Laden bei Überspannung, das Entladen bei Unterspannung und beides bei Übertemperatur. Es erkennt Zellspreizungen, die auf eine mechanisch geschädigte oder gealterte Zelle hinweisen können, und meldet Anomalien über CAN-Bus oder Profinet an die Maschinensteuerung. Für den Industrieeinsatz sollte das BMS zusätzlich Temperatursensoren an mehreren Punkten des Packs auswerten — nicht nur eine Gesamttemperatur.
Zellchemie: LiFePO4 (Lithiumeisenphosphat) ist gegenüber Li-NMC (Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt) thermisch stabiler. Der Grund liegt in der Bindungsenergie des Kathodenmaterials: LiFePO4 gibt bei Erwärmung weniger Sauerstoff ab als NMC-Kathoden, was die exotherme Reaktion bei Thermal Runaway deutlich verlangsamt. Die Selbstentzündungstemperatur von LiFePO4-Zellen liegt deutlich höher als bei vergleichbaren NMC-Zellen. Für Industrieanwendungen, bei denen Sicherheit und Langlebigkeit gegenüber Energiedichte priorisiert werden, ist LiFePO4 aus diesem Grund die bevorzugte Wahl — auch von Hellpower Energy für AGV- und FTS-Applikationen.