Vermeidung von Brandgefahren und Früherkennung von thermischem Durchgehen in Lithium-Ionen-Batterien

Vorbeugung von Brandgefahren und Früherkennung von Thermal Runaway bei Lithium-Ionen-Batterien

Die durch Treibhausgasemissionen verursachte Klimaveränderung ist ein globales Anliegen. Technologische Fortschritte haben den Weg für sauberere, erneuerbare Energieumwandlungsprozesse mit höherer Effizienz geebnet. Allerdings besteht die zentrale Herausforderung erneuerbarer Energiequellen in ihrer Unbeständigkeit, die effektive Energiespeichersysteme erforderlich macht, um Zuverlässigkeit sicherzustellen. In diesem globalen Wandel hin zu sauberer Energie ist die Rolle elektrochemischer Systeme, insbesondere Lithium-Ionen-(Li-Ion)-Batterien, entscheidend. Diese Batterien sind maßgeblich an der Reduzierung von Verkehrs- und Stromemissionen beteiligt und bilden das Rückgrat der Dekarbonisierung und Elektrifizierung der Bereiche Transport, Heizung und Industrie. Als Ingenieure und Fachkräfte sind Sie Teil dieses bedeutenden Wandels.

Sinkende Batteriekosten und steigende Energiedichte ermöglichen zahlreiche Anwendungen, die das Potenzial von Li-Ion-Batterien verdeutlichen. Diese Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energie- und Leistungsdichte, ihrer geringen Selbstentladerate und ihrer langen Lebensdauer weit verbreitet eingesetzt. Häufige Zusammensetzungen sind LiMn2O4 (LMO), LiCoO2 (LCO) und LiFePO4 (LFP). Die Zukunft ist vielversprechend angesichts der Vielseitigkeit von Li-Ion-Batterien in zahlreichen Anwendungen.

Die Energiedichte einer Batterie beschreibt die Energiemenge, die eine Batterie im Verhältnis zu ihrem Gewicht oder ihrer Größe speichern kann. Man unterscheidet dabei die spezifische Energiedichte (bezogen auf das Gewicht) und die volumetrische Energiedichte (bezogen auf das Volumen). Hohe Energiedichte ist vorteilhaft für Anwendungen, die kompakte, aber leistungsstarke Batterien erfordern. Allerdings erhöht das Speichern größerer Energiemengen in einer Batterie auch das Risiko eines Thermal Runaway – ein zentraler Faktor für hohe Brandgefahr, bedingt durch die reaktive und wärmeempfindliche Natur von Lithium. Die Elektrolyte in Li-Ion-Batterien sind hochentzündlich und können zur Verbrennung führen, was ein erhebliches Brandrisiko darstellt. Trotz integrierter Sicherheitsmechanismen bleibt das Risiko bestehen – insbesondere während Herstellung, Lagerung oder Recycling. Thermal Runaway entwickelt sich zunehmend zu einem erheblichen Haftungsrisiko für Unternehmen, die Batterieprodukte handhaben, da die Zahl der Brandereignisse in Lagern, Ladebereichen und Recyclingzentren zunimmt.

Thermal Runaway tritt in energiedichten Batterien aufgrund von Herstellungsfehlern oder äußerlicher Fehlanwendung auf, etwa durch Überladung, Überhitzung, Perforation oder Quetschung. Sobald eine Batterie eine kritische Temperatur erreicht, setzt eine Kettenreaktion ein, die zu einem Brand führt. Dieses Phänomen wird durch eine Reihe exothermer Reaktionen innerhalb der Batterie verursacht, welche die Innentemperatur stark ansteigen lassen und die inneren Strukturen destabilisieren und zersetzen. Interne Ursachen für spontane Entzündung sind Beschichtungsfehler an der Elektrodenoberfläche, Verunreinigungspartikel oder schlechte Schweißverbindungen, die zu Kurzschlüssen und Wärmeentwicklung führen. Externe Ursachen umfassen elektrischen Missbrauch durch Überladung, mechanischen Missbrauch durch Quetschung oder Perforation sowie thermischen Missbrauch durch Umgebungen mit hohen Temperaturen. Diese Missbrauchsarten sind miteinander verknüpft: Eine Perforation (mechanischer Missbrauch) kann z. B. einen Kurzschluss (elektrischer Missbrauch) verursachen, wodurch Wärme entsteht und ein Thermal Runaway ausgelöst wird.

Es existieren heute verschiedene Brandmeldesysteme und Sensoren für Frühwarnung und Anlagenüberwachung. Diese Systeme messen Rauchansaugung, -dichte und Hitze aus ausgebrochenen Bränden. Allerdings erkennen diese Systeme Brände erst, nachdem eine Batterie bereits begonnen hat zu zerfallen – nicht bevor eine Brandbedrohung auftritt. Zudem ist eine optimale Platzierung der Sensoren, insbesondere in Außenbereichen oder in Umgebungen mit hohem Luftstrom, entscheidend; suboptimal positionierte Rauchmelder können Brände unter Umständen gar nicht erkennen. Daher ist der effektivste Ansatz ein präventiver: das frühzeitige Identifizieren und Entfernen defekter Batteriezellen, bevor es zu einem Brand kommt. Defekte Batterien können so rechtzeitig gekühlt werden, wodurch Thermal Runaway verhindert wird. Zusätzlich begrenzt das Isolieren gefährlicher Batterien von anderen brennbaren Einheiten das Schadensausmaß. Präventive Maßnahmen und kontinuierliche Überwachung sind entscheidend zur Minimierung des Risikos.

Automatische Hotspot-Erkennung: Der Schlüssel zur Verhinderung von Batteriebränden mit Infrarotkameras der Xi Serie

Infrarotkameras aus der Xi Serie, wie die eigenständige Wärmebildkamera Xi 410, bieten automatische Hotspot-Erkennung mit Alarmausgabe und ermöglichen eine sofortige Reaktion auf potenzielle Probleme ohne zusätzliche Software. Die Hot Spot Finder-Funktion ermöglicht die frühzeitige Erkennung von Hotspots, um Brand- und Explosionsrisiken zu vermeiden und damit Gesundheitsgefahren, kostenintensive Ausfallzeiten und Ressourcenverluste zu verhindern. Diese thermischen Detektionssysteme lassen sich in Automatisierungssteuerungen zur Anlagenüberwachung und in Löschsysteme integrieren, um die Reaktionszeit bei Branddetektion zu verbessern und die Brandsicherheit zu erhöhen.

Die Xi Serie zeichnet sich durch ihre direkte Ethernet-Verbindung aus, die eine einfache Integration in bestehende Netzwerkstrukturen ermöglicht. Die Verfügbarkeit verschiedener Optiken steigert zusätzlich ihre Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Überwachungsanforderungen. Das Selbstüberwachungssystem mit Fail-Safe-Signal gewährleistet zuverlässigen Betrieb. Das Wärmebildsystem unterstützt zudem die gleichzeitige Anzeige mehrerer Kameras auf einem Softwarebildschirm, was eine umfassende Überwachung großer Bereiche oder mehrerer Batterieeinheiten ermöglicht. Bei der regulären Batteriezellüberwachung arbeiten die Infrarotkameras üblicherweise im LT-Wellenlängenbereich von 8 µm bis 14 µm.

Wichtig ist anzumerken, dass Infrarot-Brandpräventionssysteme wie die der Xi Serie bestehende Detektions- und Reaktionsprotokolle nicht ersetzen. Stattdessen dienen sie als zuverlässiges Frühwarnsystem, das Bereiche identifiziert, in denen eine Zündung auftreten könnte. Präventive Branddetektionsmaßnahmen einschließlich Infrarotkameras sind entscheidend, um das Risiko von Thermal Runaway zu mindern. Der effektivste Ansatz ist es, überhitzende, defekte Batteriezellen frühzeitig zu identifizieren, bevor ein Brand entsteht. Durch frühzeitiges Kühlen defekter Batterien und deren Trennung von brennbaren Einheiten lässt sich die Schadensschwere begrenzen. Kontinuierliche Überwachung und die Implementierung intelligenter Branddetektionssysteme wie der Xi Serie sind essenziell für Brandsicherheit und Prävention.

Die Wärmebildsysteme eignen sich für verschiedene Stadien wie Lagerung, Entsorgung, Inbetriebnahme, Produktion, Transport und Maßnahmen zur Brandbekämpfung.