Lithium-Ionen-Akkumulatoren, kurz Lithium-Ionen-Akkus oder noch kürzer Li-Akkus gelten als die Energiespeicher der Zukunft. Sie werden millionenfach und in immer mehr Produkten verbaut. Gleichzeitig steigt die Zahl der Brände und Zwischenfälle, deren Ursache man auf Li-Ionen-Akkus zurückführt. Denn ein unsachgemäßes Lagern, Laden, Transportieren und Entsorgen kann fatale Folgen haben.
Warum sich Batterien und Akkus auf Lithium-Basis durchsetzen konnten, ist schnell erklärt. Die Vorteile gegenüber früher üblichen Batterietypen sind eindeutig:
- kompakte Bauweise bei gleichzeitig hoher Leistung
- hohe spezifische Energie und damit eine hohe Energiedichte
- ein hoher Wirkungsgrad von bis 95 %
- Wiederaufladbarkeit bei vergleichsweise kurzen Ladezeiten
- kein merkbarer Memory-Effekt (im Gegensatz zu Ni-Cd-Akkus)
Li-Akkus und Li-Batterien sind somit bestens geeignet, auch kleinere und mobile Geräte zuverlässig mit Energie zu versorgen. Damit sind die Einsatzbereiche riesig und reichen vom Fitness-Armband über die Bohrmaschine bis zum Elektro-Lkw. Je größer die gewünschte Leistung, desto mehr Akku-Zellen werden zu einem Verbund zusammengeschaltet.
Li-Akkus sind auch unter Lithiumionenbatterie bekannt, daneben gibt es auch (nicht wiederaufladbare) Lithiummetallbatterien, die zum Beispiel in Uhren oder Herzschrittmachen verwendet werden. Die Begriffe Li-Akku und Li-Batterie werden – etwas unscharf – oft synonym für alle auf Lithium basierenden Energiespeicher verwendet. So auch in diesem Beitrag, denn die Gefahren und Schutzmaßnahmen sind vergleichbar. Jeder Akku entspricht einer wiederaufladbaren Batterie, einer sogenannten Sekundärbatterie, aber umgekehrt gilt nicht jede Batterie als Akku.
Brennende Flugzeuge und explodierende Smartphones
Gleichzeitig mit ihrer wachsenden Verbreitung hat auch die Zahl der Unfälle und Zwischenfälle mit Lithium-Ionen-Akkus rapide zugenommen. Einige spektakuläre Fälle sorgten für Schlagzeilen, etwa als ein DHL-Frachtflugzeug abstürzte, nachdem eine Palette mit Li-Batterien an Bord in Brand geraten war. Hunderte ähnlicher Vorkommnisse mit Feuer an Bord eines Flugzeugs wurden bisher registriert. Auch die aufwendigen Rückrufaktionen eines führenden Smartphone-Herstellers vor einigen Jahren brachten die Risiken durch Li-Akkus ins öffentliche Bewusstsein.
Inzwischen hat man sich an die Meldungen von auf Li-Akkus zurückgeführte Brände schon beinahe gewöhnt. Mal ist es ein Fahrradladen, mal ein Parkhaus, mal ein Post-Verteilzentren, mal eine Privatwohnung. Die angegebene Brandursache ist fast immer die Gleiche: Li-Akkus waren ohne Schutzmaßnahmen aufbewahrt oder geladen worden.
Darum können Lithium-Ionen-Akkus gefährlich werden
Trotz der vielen Brände ist Panik unangebracht. Bei ordnungsgemäßer Handhabung und sachgerechter Lagerung gelten Li-Akkus als sicher, sowohl im Unternehmen wie für den privaten Alltag. Doch es bleibt stets ein Restrisiko. Denn jede Beschädigung eines Li-Ionen-Akkus, aber auch ein falsches Lagern, Laden oder Befördern kann eine Überhitzung auslösen. Und spätestens dann wird es brandgefährlich. Auch ein Tiefentladen oder ein Überladen schädigt eine Akkuzelle und fördert die Brandgefahr. Die eingebaute Elektronik soll dem zwar vorbeugen, aber auch eine solche Schutzfunktion ist niemals zu 100 % ausfallsicher.
Der thermische Runaway – die Batterie „geht durch“
Die tückische Brandgefahr von Li-Akkus beruht letztlich auf ihrem elektrochemischen Aufbau. Denn aus Sicht des Chemikers ist Lithium ein reaktionsfreudiges Metall, das heißt es reagiert mit vielen anderen Stoffen, selbst mit Wasser. Die Reaktionen können recht heftig ablaufen und hohe Temperaturen erzeugen. Dazu kommt, dass mit den Elektrolyten in engster Nachbarschaft des Lithiums brennbare und entzündlichen Stoffe vorliegen. Die gewünschte hohe Energiedichte bedingt hier den unerwünschten Nebeneffekt des hohen Brandrisikos.
Als risikosteigernd wirkt sich dabei aus, dass in den aus mehreren bis vielen Einzelzellen zusammengeschalteten Akkus oder Akkupacks bereits die Beschädigung oder ein Defekt einer einzelnen Zelle genügt, um einen sich selbst verstärkenden (autokatalytischen) Prozess auszulösen. Denn sobald punktuell die Temperatur ansteigt, erwärmen sich auch die benachbarten Zellen. Wird dann eine kritische Temperatur (etwa zwischen 60 und 80 °C) erreicht, startet eine unkontrollierbare Kettenreaktion, der Akku „geht durch“.
In einem solchen Thermal Runaway kann die Temperatur auf 800 °C ansteigen. Spätestens jetzt bersten die Akkus, Splitter fliegen durch die Luft, ätzende Elektrolytflüssigkeiten treten aus und entzünden sich in Form von Stichflammen. Sämtliche gespeicherte Energie wird schlagartig in Form von Wärme freigesetzt, so dass brennbare Materialien in der Umgebung Feuer fangen. Dass gleichzeitig die austretenden Elektrolyte an der Luft reagieren und hochgiftige Substanzen wie Fluorwasserstoff (Flusssäure), Phosphorsäure und Phosphin freisetzen, macht jeden Löschversuch für die beteiligten Personen zusätzlich riskant.
Schwierige Brandbekämpfung
Wasser als Löschmittel war eine Zeit lang umstritten, wird aber heute von den meisten Experten empfohlen. Nach diversen Versuchsreihen gelten inzwischen auch Sprinkleranlagen als geeignet zur Brandbekämpfung. Gleichwohl bleibt das Löschen von Akku-Bränden selbst für Feuerwehren eine Herausforderung. Auch vermeintlich bereits gelöschte Brände können sich kurze Zeit später erneut entzünden. Insbesondere in Brand geratene Elektrofahrzeuge benötigen zum Löschen große Mengen an Wasser. Für ihren Abtransport wurden spezielle Kühlcontainer entwickelt.
Inzwischen sind spezielle Feuerlöscher erhältlich, deren Löschmittel – oft auf Gel-Basis – auf Akkubrände abgestimmt sind. Löschversuche von Mitarbeitern mit Hand-Feuerlöschern sieht die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung (DGUV) jedoch aufgrund der bei Li-Akku-Bränden hohen Eigengefährdung als „äußerst kritisch“ an. Allgemeingültige verbindliche Vorgaben für ein betriebliches Brandschutzkonzept gibt es noch nicht. Es wird stets auf die baulichen Verhältnisse vor Ort, die Zahl und Leistung der Akkus, die vorgehaltenen Mittel zur Brandbekämpfung und die Qualifikation und Ausbildung der betroffenen Mitarbeiter ankommen.
Auf jeden Fall jedoch muss das Verhalten bei einem solchen Brand in einer Sicherheitsunterweisung erläutert werden. Der Bundesverband Technischer Brandschutz (bvfa) hat gemeinsam mit dem Sachgebiet Betrieblicher Brandschutz der DGUV die Information „Sicherheitshinweise zum Löschen von Lithium-Ionen-Akkus“ veröffentlicht (Stand Juni 2010). Dieses Dokument liefert weitere Hinweise zu Brandbekämpfung und Feuerlöscheinrichtungen bei Li-Akku-Bränden.
Lithium-Ionen-Akkus sicher laden, lagern und transportieren
Das Risiko eines durch Lithium-Ionen-Akkus ausgelösten Brandes besteht sowohl beim Laden, beim Lagern wie auch beim Befördern der Akkus. Für diese Vorgänge sollten in einem Unternehmen Sicherheitskonzepte und klare Vorgaben bestehen.
Lithium-Ionen-Akkus sicher lagern
Trotz der bekannten Risiken sind verpflichtende Vorgaben zum Lagern rar, denn Lithiumbatterien gelten nicht als Gefahrstoffe im Sinne der Gefahrstoffverordnung (GefStoffV). Gleichwohl gelten die Grundsätze des Arbeitsschutzrechts, das heißt der Arbeitgeber muss Gefährdungen an den Arbeitsplätzen seiner Beschäftigten ermitteln, Schutzmaßnahmen festlegen, dazu unterweisen usw.
Oberstes Gebot ist, einen Li-Akku nur gemäß den Vorschriften des Herstellers zu lagern. Auch wenn für Akkus kein Sicherheitsdatenblatt vorgeschrieben ist, sollten Benutzungshinweise vorhanden sein, die zu beachten sind. Davon unabhängig wird für das Aufbewahren von Li-Ionen-Akkus empfohlen:
- Vor Kurzschlüssen schützen, zum Beispiel durch Abkleben oder mit Polkappen
- Vor Beschädigungen, Stößen, Herunterfallen, Umkippen usw. schützen
- Möglichst weder vollständig geladen noch nahezu entladen aufbewahren
- Stets den vorgegebenen Temperaturbereich einhalten, Frost und Sonneneinstrahlung vermeiden
- Sicherheitsabstände zu brennbaren Materialien einhalten
- In feuerbeständig abgetrennten Bereichen lagern und durch Brandmelder überwachen
- Eine ausreichend große Löschmittelversorgung sichererstellen
- Akkus regelmäßig kontrollieren und auf Schäden prüfen
- Akkus mit Beschädigungen, Defekten, Zeichen von Korrosion, Aufwölbungen oder anderen Verformungen unverzüglich aussortieren, separat in einem eigenen Brandabschnitt oder gesichert im Freien zwischenlagern (TRGS 510 berücksichtigen) und möglichst rasch fachgerecht entsorgen.
Die in einer Produktionsumgebung vorgehaltenen Akkumengen sollten sich auf die Tages- beziehungsweise Schichtbedarfe beschränken. Jegliche darüber hinaus gehenden Mengen müssen in einer geeigneten Weise gelagert werden.
In den letzten Jahren wurden spezielle Sicherheitsschränke entwickelt, die zum Teil auch als sogenannte Akkuschränke angeboten werden. Sie ermöglich es, Li-Akkus fachgerecht, das heißt staubfrei, trocken und geschützt aufzubewahren oder einzulagern. Ein Sicherheitsschrank nach EN 14470–1 und EN 1363–1 schützt zum einen die dort aufbewahrten Akkus und zum anderen die Umgebung. Denn sollte es trotz aller Vorsichtsmaßnahmen im Innern des Schranks – etwa durch einen von außen nicht sichtbaren Defekt eines Akkus – zu einem Akku-Brand kommen, können sich weder Flammen noch giftige Gase ausbreiten. Ist ein solcher Sicherheitsschrank mit F90 gekennzeichnet, hält er einem Feuer für mindestens 90 Minuten stand.
Wenn in einem Unternehmen Lithium-Ionen-Akkus in nicht nur geringfügen Mengen vorhanden sind, empfiehlt es sich,
- ein Verzeichnis aller im Unternehmen verwendeten Lithium-Ionen-Akkus aufzustellen und zu pflegen.
- bei allen baulichen Maßnahmen zum Lagern von Akkus Brandschutzexperten hinzuziehen.
- frühzeitig die für Baugenehmigungen und Brandschutz zuständigen Behörden zu kontaktieren.
- die in der Arbeitsstätte umgesetzten Maßnahmen beziehungsweise Veränderungen mit der Feuer- beziehungsweise Gebäudeversicherung des Unternehmens abzustimmen.
Download-Tipp: Da konkrete staatliche Vorgaben zum Lagern von Li-Akkus noch rar sind, gilt unter Fachleuten eine Publikation der deutschen Versicherer (GDV e. V.) zur Schadenverhütung als maßgeblich. Unter der Bezeichnung VdS-Richtlinie 3103 liefert sie – differenziert nach Batterien geringer, mittlerer und hoher Leistung – konkrete Empfehlungen zum Lagern und Bereitstellen von Lithium-Batterien (Stand 2019).
Wenn in einem Unternehmen regelmäßig Li-Akkus in größere Mengen vorhanden sind, weil sie zum Beispiel repariert, geprüft oder für den Versand vorbereitet werden, dann kann für die Arbeitsstätte eine erhöhte Brandgefährdung gemäß ASR A2.2 „Maßnahmen gegen Brände“ vorliegen. Somit werden zusätzlich Brandschutzmaßnahmen erforderlich.
Lithium-Ionen-Akkus sicher laden
Für das sichere Laden von Li-Akkus gelten die oben genannten Grundregeln für das Lagern. Darüber hinaus ist zu beachten:
- Nur geeignete und vom Hersteller vorgesehene Ladegeräte verwenden
- Ausgekühlte Akkus vor dem Laden auf Raumtemperatur bringen
- Ladegeräte und Akkus von Feuchtigkeit, Schmutz und Stäuben fernhalten
- Ladegeräte nur auf nicht-brennbaren Untergründen platzieren
- Brennbaren Gegenstände aus der Umgebung der Ladevorgänge entfernen
- Wärmestaus vorbeugen, stets für ausreichende Luftzirkulation und Wärmeabfuhr sorgen
Empfohlen wird zudem, Akkus nur unter Aufsicht zu laden. Wo dies nicht praktikabel ist, kann das Lagen in einem Sicherheitsschrank die Risiken minimieren. Hochwertige F90-Akkuschränke sind mit elektrischen Einrichtungen ausgestattet, die ein brandgeschütztes Lagern von Akkus ermöglichen.
Lithium-Ionen-Akkus sicher transportieren
Da Li-Akkus in immer mehr technische Geräte verbaut werden, wächst die Zahl der produzierenden Betriebe auch außerhalb der Chemiebranche, die sich plötzlich mit Gefahrgutvorschriften befassen müssen. Denn wer als Händler oder Hersteller Notebooks, Akkuschrauber oder Heckenscheren versendet, muss für einen sicheren und vorschriftsgemäßen Transport sorgen.
Voraussetzung für den Transport von Lithium-Ionen-Akkus ist, dass die Akkus die Kriterien des UN-Tests 38.3 erfüllen. In diesen Tests werden verschiedene, für Transportsituationen denkbare Belastungen simuliert. Ohne den Nachweis, dass dieser Batterietyp den UN-Test 38.3 bestanden hat, darf ein Akku nicht befördert werden. Bei Unklarheiten muss gegebenenfalls der Batterie-Hersteller befragt werden.
Beim Transport gelten Lithium-Ionen-Akkus als Gefahrgut und unterliegen den einschlägigen Gefahrgutvorschriften. Laut ADR werden Ihnen folgende UN-Nummern zugeordnet:
- UN 3480: Lithium-Ionen-Batterien
- UN 3481: Lithium-Ionen-Batterien in Ausrüstungen
- UN 3481: Lithium-Ionen-Batterien mit Ausrüstungen verpackt
- UN 3090: Lithium-Metall-Batterien
- UN 3091: Lithium-Metall-Batterien in Ausrüstung oder mit Ausrüstung verpackt
Die spezifischen Anforderungen für die Beförderung von Lithiumbatterien auf der Straße, auf Schienen, Wasserwegen oder in der Luft wurden in den vergangenen Jahren immer wieder angepasst und können hier nur kurz gestreift werden. Wer solche Akkus auf der Straße oder Schiene, zu Luft oder zu Wasser transportiert, sollte sich stets an den Vorschriften für die betroffenen Verkehrsträger (ADR/RID, IMDG Code, IATA DGR) orientieren und darauf achten, dass er die aktuellste Version vorliegen hat. Das betrifft nicht nur Speditionen und Transportunternehmen, auch der Versender oder Absender muss hinsichtlich einer rechtssicheren Kennzeichnung und Verpackung strikte Vorgaben beachten.
Für die Kennzeichnung sind die folgenden Symbole vorgesehen:
Maßgeblich für die Transport-Vorgaben im Detail sind mehrere Kriterien, darunter der Energiegehalt. Wichtig zu wissen ist:
- Für Akkus bis 100 Wh Nennenergie gelten vereinfachte Ausnahmeregelungen.
- Für den Transport von und zu Baustellen gemäß der sogenannten Handwerkerregelung sind – wie auch für den Transport zu privaten Zwecken – Ausnahmen von den strengen Anforderungen des ADR vorgesehen.
- Für das Befördern defekter Li-Akkus gelten spezielle Bestimmungen.
- Beim Versand müssen diverse Sondervorschriften (SV) und Verpackungsanweisungen (VA) beachtet werden.
Das ADR wird alle zwei Jahre aktualisiert, ergänzt und neu aufgelegt. Es ist damit zu rechnen, dass auch die Vorschriften zum sicheren Transportieren von Li-Batterien weiter angepasst und ergänzt werden.
Download-Tipp: Ein Merkblatt des Fachverbands Batterien im ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V.) erläutert, wie die Gefahrgutvorschriften beim Versenden von Li-Akkus in oder mit Geräten umgesetzt werden (Stand: Dezember 2020).
Lithium-Ionen-Akkus sicher entsorgen
Auch wenn ein Akku ausgedient hat und nicht mehr verwendet wird, besteht das Risiko weiter. Denn auch in einer Abfalltonne kann es zu einem Brand kommen. Diese Gefahr ist sehr real. wie brennende Fahrzeuge der Müllabfuhr gezeigt haben. Laut einem Befund des Verbands Österreichischer Entsorgungsbetriebe (VOEB) sind falsch entsorgte Lithium-Batterien zur Hauptursache von Bränden in Abfallbehandlungsanlagen geworden.
Wie für alle anderen Batterietypen gilt, dass Li-Akkus niemals in Restmülltonnen landen dürfen, sondern getrennt gesammelt werden müssen. Solange die Akkus sich im Betrieb befinden, muss dieser für eine brandsichere Aufbewahrung sorgen. Dabei sind die Hinweise des Akkuherstellers zu beachten. Je nach Region sind dann die jeweiligen Rücknahmesysteme, Sammelstellen und Wertstoffhöfe zu nutzen oder ein Entsorgungsdienstleister zu beauftragen.
Autor: Dr. Friedhelm Kring
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