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Lithium-Ionen-Akkus

Brandgefahr eindämmen

Dieses Foto zeigt einen Bauarbeiter mit gelben Schutzhelm und Warnweste im Einsatz mit einem Akkustampfer im Tiefbau.

Akkustampfer beim Einsatz im Tiefbau

Lithium-Ionen-Akkus sind seit 1991 auf dem Markt und werden vielfältig eingesetzt. Nicht nur in Laptops, Smartphones, Elektrofahrrädern und -autos kommen sie zum Einsatz, sondern verstärkt auch in Elektrowerkzeugen und Baumaschinen. Die Vorteile liegen auf der Hand: kein lästiges Kabel an der Maschine, mehr Bewegungsfreiheit, weniger Gewicht. Problematisch ist die Brandgefahr, die von Lithium-Ionen-Akkus bei unsachgemäßer Handhabung ausgehen kann.

Lithium-Ionen-Akkus bestehen meistens aus einer LI-Metalloxid-Kathode, einer Lithium-Graphit-Anode oder anderen Kohlenstoffverbindungen und einem wasserfreien Elektrolyt. Zur Erhöhung von Spannung und Leistungsabgabe werden in Reihe geschaltete Lithium-Ionen-Akkus, kurz Akku-Packs, eingesetzt.

Lithium-Ionen-Akkus haben den Vorteil, dass sie einen hohen Wirkungsgrad besitzen und eine geringe Selbstentladung haben. Verglichen mit NiMH- und NiCd-Akkus besitzen sie eine höhere Kapazität und ein geringeres Gewicht pro Ah und es tritt kein Kapazitätsverlust durch häufige Teilentladung (Memory-Effekt) und kein Batterieträgheitseffekt (Lazy-Akku-Effekt) auf. Die Lebensdauer beträgt 500 bis 800 Ladezyklen und sie sind schnell wiederaufladbar. Allerdings ist ihr Einsatz bei niedriger Temperatur stark eingeschränkt, da der Innenwiderstand mit sinkender Temperatur zunimmt.

Akku-Einsatzbereiche

Lithium-Ionen-Akkus werden in der Bauwirtschaft z. B. in Elektrowerkzeugen und Baumaschinen eingesetzt. Die Elektrowerkzeuge wie Bohrschrauber, Kombihammer, Schlagbohrmaschinen, Trennschleifer werden meistens mit einer Spannung von 18 bis 36 V mit einer Kapazität von 4 bis 6 Ah betrieben. Die Lithium-Ionen-Akkus von Stampfern haben eine Nennspannung von 51 V, eine Kapazität von 12 Ah und einen Energieinhalt von 614,4 Wh.

Das Bild zeigt den Akku vom Stampfer.

Akku des Stampfers.

Auf diesem Foto wird ein Akkuhandkreissäge gezeigt.

Akkuhandkreissäge.

Das Bild zeigt eine Trennschleifmaschine.

Trennschleifmaschine

Brandgefahr

Es besteht erhebliche Brandgefahr durch unsachgemäße Handhabung und aufgrund technischer Defekte. Hohe Temperaturen in den Lithium-Ionen-Akkus, die zu Akkuschäden und auch zum Brand führen können, werden durch starke äußere Erwärmung, äußeren und inneren Kurzschluss, Überladung und Tiefentladung ausgelöst.

Wird der Lithium-Ionen-Akku auf 60 bis 80 °C erwärmt, kommt es zur Gasbildung bei Zersetzung und Verdampfung der Elektrolytflüssigkeit. Ab 160 °C kommt es zur Wärmeentwicklung und Freisetzung von Sauerstoff bei Zersetzung des Kathodenaktivmaterials. Das bedeutet, dass die Akkus keiner direkten Sonneneinstrahlung im Sommer, keinen hohen Temperaturen, keinem Feuer ausgesetzt werden dürfen.

Beim äußeren Kurzschluss werden die Batteriepole durch leitfähiges Material, z. B. durch Fingerringe, kleine Metallgegenstände oder Ablegen auf metallische Untergründe, verbunden, Akkus müssen gegen diesen äußeren Kurzschluss gesichert werden, indem entweder die Pole voneinander Isoliert (Klebestreifen) oder die Akkus selbst geschützt werden (z. B. einzeln einlegen in die Originalverpackung).

Ein innerer Kurzschluss entsteht durch Verbindung der einzelnen Zellen. Er kann durch Fehler beim Herstellungsprozess oder durch mechanische Einwirkung, wie z. B. durch Herunterfallen, starke Erschütterung oder Vibrationen, ausgelöst werden. Bei einer äußeren Beschädigung kann ätzende Elektrolytflüssigkeit auslaufen.

Ladung und Entladung

Das Foto zeigt einen Teil der Batterie mit Angabe des Herstellerdatums.

Angabe des Herstellungsdatums.

Lithium-lonen-Akkus dürfen nur mit dem vorgesehenen Ladegerät geladen werden, da die Ladekennlinie auf den Akku abgestimmt sein muss. Schon eine geringfügig zu hohe Ladespannung führt aufgrund zu großer Ladeströme zu einer Erhitzung des Akkus und kann somit einen Brand auslösen.

Beim Erreichen der Vollladung muss der Ladungsprozess automatisch durch das Ladegerät sofort beendet werden. Daher dürfen keine Ladegeräte von anderen Akkus oder von anderen Herstellern verwendet werden.

Lithium-Ionen-Akkus dürfen nur bis zu einer gewissen Kapazität entladen werden. Wird diese Mindestkapazität unterschritten, spricht man von Tiefentladung. Diese Tiefentladung kann z. B. durch Kurzschlüsse oder unsachgemäße Verwendung des Akkus erfolgen. Dabei zersetzt sich die Elektrolytflüssigkeit und es entstehen Gase wie Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan, Ethan und Ethen sowie Wasserstoff. Es kommt zum Aufblähen des Akkus. Dabei besteht akute Brandgefahr.

Neue Geräte und Maschinen, die mit Lithium-Ionen-Akkus betrieben werden, haben üblicherweise eine Einrichtung zur Akku-Überwachung, sodass eine Tiefentladung vermieden wird. Der Ladezustand wird häufig durch Kontrolllampen angezeigt.

Dieses Bild zeigt eine Seite eines Akkus mit Angabe der technischen Daten wie Spannung, Kapazität und Energiegehalt.

Angabe der technischen Daten wie Spannung (14,4 V), Kapazität (4,0 Ah), Energiegehalt (58 Wh).

Handhabung

Geräte und Maschinen dürfen nur mit einem dafür vorgesehenen Akku betrieben werden. Bei der Handhabung von Lithium- Ionen-Akkus sind folgende Hinweise zu beachten:

  • Lithium-Ionen-Akkus dürfen nur mit dem dafür vorgesehenen Ladegerät geladen werden, damit es nicht zu einer Überladung kommt.
  • Lithium-Ionen-Akkus nicht tiefentladen.
  • Die Lithium-Ionen-Akkus dürfen keinen Stößen ausgesetzt werden.
  • Die Lithium-Ionen-Akkus dürfen nicht Hitze und Feuer ausgesetzt werden. Nicht bei hohen Temperaturen, wie z. B. im Sommer im Kofferraum des Autos, das dem direkten Sonnenlicht ausgesetzt ist, lagern.
  • Akkus dürfen nicht kurzgeschlossen werden, d. h. bei Lagerung oder Transport müssen die Batteriepole abgedeckt sein. Beim Wechseln der Akkus darauf achten, dass die Batteriepole nicht mit Metall, wie z. B. auch durch Ringe an den Händen, Schrauben oder Nägel, in Berührung kommen.
  • Keine beschädigten oder ausgelaufenen Lithium-Ionen-Akkus verwenden. Sie sind entsprechend den Anleitungen der Hersteller zu entsorgen. Läuft aus dem Lithium-Ionen-Akku Flüssigkeit aus, dürfen diese nur mit säurebeständigen Schutzhandschuhen angefasst werden. Da die auslaufende Flüssigkeit ätzend ist, darf sie nicht mit der Haut oder Augen in Berührung kommen.

Die Ladegeräte sind von Nässe und Staub fernzuhalten. Werden die Ladegeräte im Außenbereich verwendet, dann müssen die Kabel für den Einsatz im Freien geeignet sein (H07RN-F bzw. als maximal 4 m lange Anschlussleitung H05RN-F). Zusatzschutzeinrichtungen (RCD-Fehlerstromschutzeinrichtung) verwenden. Lithium-Ionen-Akkus dürfen nur unter Aufsicht geladen werden.

Lagerung

Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus ist begrenzt. Sie altern am wenigsten, wenn der Ladestand im Bereich von 40- 60 % liegt, sie kühl (0-45 °C), aber frostfrei, und unbedingt trocken gelagert werden. Bei längerer Lagerung von Zeit zu Zeit den Aufladezustand kontrollieren und ggf. wiederaufladen. Vorsicht bei Lagerung von entladenen Akkus, es kann zur Tiefentladung kommen. Gebrauchte Lithium- Ionen-Akkus nicht länger als 3 Monate lagern, bevor sie entsorgt werden.

Akkus in sicherem Abstand zu brennbaren Materialien lagern. Im GDV-Merkblatt „Lithium-Batterien“ [VdS 3102:2012-06] wird die Lagerung von Lithium-Ionen-Akkus beschrieben. Es wird zwischen Lithium- Ionen-Akkus geringer, mittlerer und hoher Leistung unterschieden. Werden Lithium-Ionen-Akkus innerhalb von Gebäuden gelagert, sollte ein Freistreifen von 2,5 m zu anderen Gütern eingehalten werden oder die Lithium-Ionen-Akkus in einem brandschutztechnisch abgetrennten Bereich (z. B. Sicherheitsschrank, Container) gelagert werden.

Bei der Lagerung von Lithium-Ionen-Akkus mittlerer Leistung mit einem Gewicht über 1 kg und einer Batteriespannung unter 60 V, zu denen z. B. die Lithium-Ionen-Akkus in Stampfern zählen, ist im Lagerbereich zusätzlich eine Brandmeldeanlage zu installieren. Batterien müssen gegen Kurzschluss gesichert werden, indem entweder die Pole voneinander isoliert (Klebestreifen, Abdeckkappen) oder die Batterien selbst geschützt werden (z. B. einzeln einlegen in die Originalverpackung). Beschädigte Lithium-Ionen-Akkus müssen in säurefesten Auffangeinrichtungen getrennt von anderen brennbaren Materialien gelagert werden. Sie sind umgehend fachgerecht entsprechend den Herstelleranweisungen zu entsorgen.

Transport

Diese Abbildung zeigt eine bauartzugelassene Gefahrgutverpackung für Akkus.

Bauartzugelassene Gefahrgutverpackung für Akkus mit Gefahrzettel 9A und UN-Nummer 3480 (Lithium-Ionen-Batterien).
 

Lithium-Ionen-Akkus sind Gefahrgut der Klasse 9 (Verschiedene gefährliche Stoffe und Gegenstände). Somit unterliegen die Transporte von Lithium-Ionen-Akkus und von Geräten, die Lithium-Ionen-Akkus enthalten, den Gefahrgutvorschriften. Welche Vorschriften anzuwenden sind, hängt auch von dem Energieinhalt des Akkus in Wh ab. Der Energieinhalt muss bei Akkus, die nach dem 31.12.2011 hergestellt worden sind, auf dem Außengehäuse angegeben werden.

Darüber hinaus gelten Vorschriften abhängig von der Transportweise (im Gerät oder als Ersatzakku) und abhängig von der Art des Transportes (Handwerkerregelung, Versorgungstransporte). Folgende UN-Nummern kommen in Betracht:

  • UN-Nummer 3480 (Lithium-Ionen-Batterien),
  • UN-Nummer 3481 (Lithium-lonen-Batterien in Ausrüstungen oder mit Ausrüstungen verpackt).

Der Faktor zur Kleinmengenberechnung nach dem Europäischen Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße (ADR) beträgt 3. Mit ihm muss das Bruttogewicht des Akkus multipliziert werden. Lithium-Ionen-Akkus können als Kleinmenge von Bauunternehmen im Rahmen der Haupttätigkeit oder als Versorgungstransport transportiert werden.

Die Abbildung zeigt einen Hinweis auf der Verpackung von Lithiumbatterien.

Kennzeichnung von Verpackungen von Lithiumbatterien unter 100 Wh, als UN-Nummer muss für Lithiumbatterien UN 3480 bzw. für Lithiumbatterien in Geräten UN-3481 verwendet werden.

Nennleistung kleiner 100 Wh

Lithium-Ionen-Akkus sind im Wesentlichen von den Gefahrgutvorschriften befreit, wenn die einzelnen Akkus eine Nennenergie von höchstens 100 Wh besitzen. Sind maximal zwei dieser Akkus in Geräten eingebaut und sind diese durch die Geräte vor Beschädigungen, Kurzschlüssen und unabsichtliche Auslösung geschützt, so sind keine weiteren Maßnahmen des ADR erforderlich.

Werden die Akkus als Ersatzakkus außerhalb von Geräten transportiert, so müssen diese durch geeignete Maßnahmen vor Kurzschlüssen und Beschädigungen geschützt werden. Dies kann durch Polkappen oder spezielle Halterungen in Werkzeugkisten erfolgen. Die verpackten Akkus müssen in einer stabilen Außenverpackung (Karton oder Werkzeugkiste) sicher verpackt werden, sodass keine Bewegung in der Verpackung möglich ist. Die Beschriftung der Außenverpackungen ist in der Abbildung oben dargestellt.

Dieses Bild zeigt zwei äußerlich gleiche Akkus mit unterschiedlichen Energiegehalten: 99 Wh und 112 Wh.

Zwei äußerlich gleiche Akkus mit unterschiedlichen Energiegehalten: 99 Wh und 112 Wh.

Nennleistung über 100 Wh

Werden Lithium-Ionen-Akkus mit einer Leistung von mehr als 100 Wh pro Akku transportiert, gelten die Gefahrgutvorschrift en. Sind die Lithium-Ionen-Akkus in Geräten eingebaut, muss durch die Außenverpackung gewährleistet sein, dass es nicht zu einer unbeabsichtigten Aktivierung oder zu einem Kurzschluss kommt.

Werden die Akkus als Ersatzakkus transportiert, müssen sie durch eine Innenverpackung komplett umschlossen werden und gegen einen Kurzschluss gesichert sein. Die Akkus sind in einer geeigneten Außenverpackung so zu verstauen, dass sie ihre Lage während des Transportes nicht verändern können.

Die Außenverpackung ist mit einem Gefahrzettel der Nr. 9A (der Gefahrzettel Nr. 9 darf noch bis Ende 2018 verwendet werden) und der entsprechenden UN-Nummer zu versehen. Beschädigte Akkus dürfen nicht transportiert werden. Müssen diese Transporte durchgeführt werden, sind die notwendigen Maßnahmen mit der zuständigen Behörde abzustimmen.

Brandbekämpfung

Bei Bränden von Lithium-Ionen-Akkus ist die Feuerwehr zu alarmieren. Die Brände von Lithium-lonen-Akkus können nicht mit Feuerlöschern wie ABC Feuerlöscher, Metallbrandfeuerlöscher gelöscht werden. Der Brand muss mit viel Wasser bekämpft werden, um den Brandherd abzukühlen. Bei Bränden entstehen giftige Gase und Dämpfe, daher beim Löschen Persönliche Schutzausrüstung wie Schutzanzug, Schutzhandschuhe, Schutzbrille und umgebungsluft unabhängiges Atemschutzgerät tragen.

Ausblick

Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus wird ständig weiter fortschreiten. Ziel ist es, eine noch höhere Energiedichte zu erreichen, um das Gewicht, das Volumen und die Betriebsdauer der Geräte zu optimieren. Weiterhin soll durch verbesserte Materialkombinationen erreicht werden, dass diese Energiespeicher nicht selbst zu brennen beginnen.

Auch wenn zukünftig die eigentliche Brandgefahr der Akkus minimiert werden kann, darf nicht außer Acht gelassen werden, dass der enorme Energiegehalt der Akkus im Falle eines Kurzschlusses der Anschlusskontakte oder der Versorgungsleitungen derartig große Ströme fließen lässt, sodass auch außerhalb der Energiequellen Brände entfacht werden können. Ein umsichtiger und sorgsamer Umgang mit diesen hochenergetischen Akkus unter Beachtung der Vorschrift en z. B. für Transport und Lagerung ist somit immer erforderlich.

Dr. Kerstin Rathmann, Dr. Klaus Kersting, Dipl.-Ing. Hans-Joachim Kuhnsch (BG BAU)

Der Artikel erschien zuerst in der Zeitschrift BauPortal 4/2017. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.

 

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