Aerosol-Löschsysteme für Lithiumbatterien: Wie sie funktionieren und warum sie die Sicherheit erhöhen

Thermal Runaway und Brand: Was wirklich geschieht

Beim Thema Sicherheit von Lithiumbatterien liegt eines der häufigsten Missverständnisse darin, Thermal Runaway und Brand als Synonyme zu betrachten. Tatsächlich handelt es sich um zwei verschiedene Phänomene, auch wenn sie eng miteinander verbunden sind.

Der Thermal Runaway (Thermisches Durchgehen) ist ein zellinternes Ereignis, bei dem sich elektrochemische Reaktionen selbst verstärken und einen raschen Temperaturanstieg verursachen. Die durch die internen Reaktionen freigesetzte Energie beschleunigt den Prozess weiter und löst eine Kettenreaktion aus, die zur Zersetzung der Zellmaterialien führen kann. Während dieser Phase steigt der Innendruck allmählich an, bis sich das Sicherheitsventil (sofern vorhanden) öffnet. Dadurch setzt die Zelle Wärme, Elektrolyt und ein Gasgemisch frei. Diese Phase ist besonders kritisch: Die freigesetzten Gase sind in der Regel entflammbar und können Wasserstoff, Kohlenmonoxid sowie leichte Kohlenwasserstoffe enthalten. Liegt eine Zündquelle vor, beispielsweise ein Funken oder eine Oberfläche mit hoher Temperatur, können sich diese Gase entzünden und ein zellinternes Phänomen in ein Verbrennungsereignis verwandeln.

Es ist wichtig klarzustellen, dass der Thermal Runaway nicht zwangsläufig mit einem Brand einhergeht. Dieser Prozess kann sich auch dann entwickeln, wenn zunächst keine sichtbaren Flammen vorhanden sind. In dieser Phase handelt es sich noch vorwiegend um ein elektrochemisches und thermisches Phänomen, nicht um einen Brand.

Der Brand stellt hingegen ein späteres und eigenständiges Ereignis dar. Wenn die von der Batterie freigesetzten Gase auf eine Zündquelle, etwa einen Funken, eine Oberfläche mit hoher Temperatur oder einen Lichtbogen treffen, können sie sich entzünden und zu Verbrennungen sowie zur Ausbreitung der Flammen führen. Gleichzeitig ist es wichtig, auch das umgekehrte Szenario zu berücksichtigen: Ein Brand, der durch andere Systemkomponenten wie Verkabelungen oder Elektronik verursacht wurde, kann sich auf die Batterie ausbreiten und zur Auslösung eines Thermal Runaway beitragen.

Diese Unterscheidung ist von grundlegender Bedeutung, da sie zeigt, dass sich das Risikomanagement nicht allein auf die Verhinderung des Thermal Runaway beschränken darf, sondern auch die Fähigkeit einschließen muss, bei einem beginnenden Brand rechtzeitig einzugreifen. Einerseits ist es notwendig, die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens durch eine sorgfältige Batterieplanung und eine kontinuierliche Überwachung der Betriebsparameter zu verringern. Andererseits ist es wichtig, Systeme vorzusehen, die bei einem entstehenden Brand schnell eingreifen können, um dessen Ausbreitung und die Auswirkungen auf das System einzudämmen.

Aus diesem Grund muss eine wirksame Sicherheitsstrategie auf mehreren Ebenen ansetzen:

• Korrekte Batteriekonstruktion (Chemie, Zusammenbau und Elektronik)
• Prävention  von Fehlerzuständen durch das BMS
• Kontinuierliche Überwachung der Betriebsparameter
• Rasche Reaktion bei potenziell kritischen Zuständen

Nageldurchdringungstest

Der Nageldurchdringungstest (Nail Penetration Test) ist eine Sicherheitsprüfung, die einen internen Kurzschluss simuliert. Dabei wird eine Zelle mithilfe eines Nagels durchbohrt, um das Verhalten der Batterie unter einer der schwerwiegendsten Fehlerbedingungen zu untersuchen. Ziel ist nicht, ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten, sondern zu bewerten, wie das System kontrolliert reagiert, ohne Brände oder unkontrollierte Explosionen auszulösen.

Aerosol-Löschsysteme: eine schnelle und gezielte Lösung

Im Gesamtzusammenhang der aktiven Sicherheitslösungen für Lithiumbatterien stellen die Aerosol-Löschsysteme eine äußerst wirkungsvolle Technologie dar, die darauf ausgelegt ist, im Falle eines Brandausbruchs rasch einzugreifen.

Löschsysteme mit kondensiertem Aerosol sind eine hervorragende Lösung für den Schutz von Batterien und Energiespeichersystemen (BESS), vor allem dort, wo herkömmliche Löschmittel wie Wasser oder Gas unwirksam oder ungeeignet sind.

Ihr Ziel besteht darin, in den allerersten Phasen eines Brandbeginns einzuschreiten und so dazu beizutragen, die Verbrennung zu unterbrechen und die Ausbreitung des Feuers innerhalb des geschützten Bereichs einzudämmen.

Diese Vorrichtungen werden bei Erkennung eines ungewöhnlichen Temperaturanstiegs automatisch aktiviert und setzen ein Löschmittel in Form eines Aerosols frei, das in der Lage ist, den Brandbeginn rasch und ohne Folgeschäden für die Elektronik zu löschen.

Im Gegensatz zu Systemen, die hauptsächlich durch Abkühlung der Umgebung wirken – beispielsweise Wasser, Gas oder Pulver – ,greift das Aerosol-System vor allem in den Verbrennungsprozess ein. Auf diese Weise wird die Verbrennung verlangsamt, bis sie zum Erliegen kommt. So wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sich das Feuer auf andere Komponenten im Batterieraum ausbreitet.

Das in Form von ultrafeinen Partikeln (unter 10 Mikrometer) freigesetzte Löschmittel bindet freie Radikale im Feuer und verhindert auf diese Weise die weitere Ausbreitung.  Dieser Löschmechanismus ist bei Bränden von Lithium-Ionen-Batterien, die rasch eskalieren können und mit herkömmlichen Systemen schwer einzudämmen sind, besonders wirksam. Darüber hinaus beschädigt das Aerosol keine sensiblen elektronischen Bauteile und kann daher gezielt und sicher in Batterieräumen oder bei begrenztem Platzangebot eingesetzt werden.

Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen

Aerosol-Löschsysteme bieten eine Reihe konkreter Vorteile und sind somit vor allem für Industrieanwendungen und Energiespeichersysteme (BESS) geeignet.

Eine der wesentlichen Stärken ist ihre blitzschnelle Reaktion: Die Auslösung erfolgt bereits wenige Sekunden nach Erfassung der thermischen Anomalie, was bei Ereignissen wie dem Thermal Runaway, die sich innerhalb kurzer Zeit entwickeln können, entscheidend ist.

Da Aerosol-Löschanlagen zudem in geschlossenen, komplexen Räumen eingesetzt werden können, eignen sie sich für all jene Bereiche ideal, in denen druckbeaufschlagte oder wasserbasierte Systeme nicht angewendet werden können oder gefährlich sind. Ihr druckloser Betrieb und die kompakten Abmessungen erlauben die Installation direkt innerhalb der Batterie.

Hinzu kommt ein weiterer Vorteil: Das Löschmittel hinterlässt keine gefährlichen Rückstände, schützt damit die Integrität der Leistungselektronik und beschleunigt die Wiederherstellung der Funktionalität nach dem Brand.

Von dieser sicheren Lösung profitiert nicht zuletzt die Umwelt: Das Löschmittel ist frei von Halon, ungiftig und erfüllt das Montreal-Protokoll. Wenn es um integrierte und nachhaltige Sicherheit geht, stellen Aerosol-Löschsysteme daher eine fortschrittliche und überaus funktionale Technologie dar.

So integrieren wir Aerosol-Löschsysteme in Flash-Battery-Batterien

Aus konstruktiver Sicht wird die Integration von Aerosol-Löschsystemen abhängig von den spezifischen Eigenschaften des Batteriepacks, insbesondere vom Innenvolumen und der Geometrie der zu schützenden Räume, dimensioniert.

Innerhalb der Flash Battery-Lösungen werden die Vorrichtungen dezentral installiert, wobei bei Bedarf auch mehrere Einheiten im selben Pack vorgesehen werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine gleichmäßige Abdeckung auch bei großen Batterien oder komplexen Innenkonfigurationen, bei denen das Vorhandensein von Abschottungen oder größeren Abständen die Wirksamkeit eines einzelnen Eingriffspunktes verringern könnte.

Die Aktivierung erfolgt automatisch, sobald eine bestimmte Temperaturschwelle überschritten wird: Die Vorrichtung setzt das Löschmittel direkt im geschützten Volumen frei und ermöglicht so ein schnelles sowie gezieltes Eingreifen.

In der Regel ist jede Vorrichtung für eine Abdeckung von etwa 0,2 bis 0,6 m³ ausgelegt, wobei die Standardkonfiguration der Flash-Battery-Systeme bei etwa 0,4 m³ pro Einheit liegt. Die Wahl der Anzahl und Positionierung der Vorrichtungen wird somit zu einem maßgeblichen Bestandteil des Gesamtsicherheitskonzepts des Systems.

Sicherheit von Lithiumbatterien: Ein integrierter Ansatz aus Prävention und Intervention

Die Sicherheit von Lithiumbatterien basiert nicht auf einer einzigen Lösung, sondern auf einem integrierten Ansatz, der Prävention, Detektion und Intervention miteinander verbindet. Ergänzend kommen Instrumente für die aktive Sicherheit hinzu, wie die fortschrittliche Überwachung und die frühzeitige Erkennung ungewöhnlicher Signale. Diese ermöglichen ein Eingreifen, bevor sich kritische Zustände entwickeln.

In diesem Zusammenhang stellen Aerosol-Löschsysteme eine wirkungsvolle Lösung im Risikomanagement dar, da sie in den frühen Phasen der Verbrennung schnell und effektiv eingreifen können. So verhindern sie die Ausbreitung des Brandes und schützen die Integrität des Systems.

Die konsequente Integration all dieser Maßnahmen erlaubt es, eine Technologie mit hoher Energiedichte in ein sicheres und zuverlässiges System umzuwandeln, das selbst den anspruchsvollsten industriellen Anwendungen gerecht wird.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie sich ein Batteriesystem mithilfe eines sicherheitsorientierten Ansatzes gestalten kann, unterstützt Sie das technische Team von Flash Battery gerne. Es analysiert die betrieblichen Anforderungen, konstruktiven Vorgaben und erforderlichen Schutzebenen, um die am besten geeignete Lösung für Ihre Anwendung zu bewerten.