Prüfung der Feuerbeständigkeit von Li-Ionen-Batterien

Die Forschungsstelle für Brandschutztechnik (FFB) am Karlsruher Institut für Technologie KIT wurde im Jahre 1950 gegründet und gehört zum Bereich Verbrennungstechnik des Engler-Bunte-Instituts am KIT. Die 16 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter beschäftigen sich mit Forschung, Dienstleistung und Dokumentation im Bereich Brandschutztechnik.

FFB und Brandversuchshalle

Zur FFB gehört eine Brandversuchshalle, in der z. B. Brand- und Löschversuche zu nachgestellten Wohnungs- und Regallagerbränden oder Brandprüfungen von Industriedächern sowie von Li-Ionen-Batterien durchgeführt werden. Die wenige Kilometer von der Innenstadt entfernt liegende, 450 m2 große Halle ist mit einer Rauchgasreinigungsanlage ausgestattet, so dass kein Ruß oder andere Schadstoffe in die Umwelt gelangen. Versuchsingenieure und Techniker führen Messungen nahe am Objekt durch, da sie als Angehörige der Freiwilligen Feuerwehr bei Bedarf mit persönlicher Schutzausrüstung ausgestattet sind.

Prüfverfahren 

Die zunehmende e-Mobilität führt zu neuen Antriebsbatterien (in der Regel Lithium-basierte Akkumulatoren), darunter mehrere hundert Kilogramm schwere — wie bei den reinen Elektro-PKW. Diese Batterien erfordern im Normalbetrieb einen begrenzten Betriebstemperaturbereich, da sie weder bei Kälte noch bei Hitze hohe Lade- und Entladeströme vertragen. Das führt bei Betrieb außerhalb des günstigen Temperaturbereichs zu geringerer Reichweite und beschleunigter Alterung, was den Besitzer zwar wenig erfreuen dürfte, aber nicht gefährdet. 

Beschleunigte Alterung beim Test

Lithium-Batterien weisen gegenüber Blei- oder NiMH-Akkus die Besonderheit auf, dass sie brennbare Elektrolytbestandteile beinhalten, die bei elektrischer Überladung, mechanischer Zerstörung oder durch äußere Beflammung einen Brand auslösen bzw. verstärken können. Weiterhin sind in den Elektrolyten fluorhaltige Leitsalze enthalten, die bei Kontakt mit Wasser hochtoxischen Fluorwasserstoff freisetzen.

Um sicherzustellen, dass von den Batterien im Betrieb keine Gefahren ausgehen, wird beim Prüfverfahren ECE R34/R100 oder beim koreanischen Testverfahren ein Unfallszenario mit Brand abgebildet.

Bei den ECE-Tests wird unter der vollständig geladenen Batterie ein Benzinbrand in einer Blechwanne gezündet und die Batterie für rund zwei Minuten thermisch beaufschlagt, während beim koreanischen Testverfahren die Batterie durch eine Anordnung von 144 vorgemischten Gasflammen („Dachdeckerbrenner“) thermisch beaufschlagt wird. 

Die Brandbeaufschlagung darf dabei die Batterie nicht so stark beschädigen, dass brennbarer Elektrolyt austritt bzw. es zu einem thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) oder gar zu einer Explosion kommt. Bestehen die Batterien die Tests nicht, sind sie für den Einsatz in Fahrzeugen nicht zulässig.

Klares Ergebnis nach dem Test?

Ein klares Ergebnis zum Brandverhalten liegt nur dann vor, wenn eine Batterie offensichtlich versagt hat. Ansonsten heißt es warten: Obwohl das Batteriemanagementsystem (BMS) Messdaten zur Temperatur und dem Innenwiderstand der Zellen erhält und somit Rückschlüsse auf deren Zustand erlaubt, ist es nie sicher, wie bzw. ob das BMS selbst beschädigt ist und fehlerhafte Anzeigen liefert. Nach dem Test ruht die Batterie daher einige Tage und wird evtl. im Wasserbad langsam entladen. Solange die Batterie noch elektrisch geladen ist, geht von ihr eine potentielle Gefahr aus.

Spezialtransport getesteter Batterien

Der Gesetzgeber hat hier vorgesorgt, damit es während des Abtransports der beflammten Batterien z. B. aufgrund der Erschütterungen nicht zu einem Schadensfall kommt. Der Abtransport unterliegt den Regeln des Gefahrguttransports und hat unter festgelegten Bedingungen der Behörde (in Deutschland die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) zu erfolgen. Zahlreiche Sicherheitsvorschriften müssen berücksichtigt werden, die nur durch einen qualifizierten Dienstleister erfüllt werden können. Der Abtransport der Batterie und des kontaminierten Wassers kann dann schon mal teurer werden als der Brandversuch selbst.

Weitere Arbeitsgebiete der FFB

Testen 

Die FFB stellt die Brandversuchshalle mit Fachpersonal und Mess-Equipment gegen Gebühr zur Verfügung, um Batterien und natürlich auch andere Produkte zu testen. In der Entwicklungsphase erfolgt bei Bedarf eine kompetente Unterstützung. Die Auftragsabwicklung verläuft dabei rasch und zuverlässig. 

Numerische Simulation

Mit Hilfe des CFD-Programms AnsysCFX werden u. a. Brandschutzkonzepte entwickelt und untersucht. Auch hier führt die FFB Forschungsarbeiten durch und bietet umfangreiche Dienstleistungen an. 

Internationale Literaturdatenbank

Eine von der FFB zusammen mit dem Institut für Brand- und Katastrophenschutz Hoyratsberge, Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr (IdF) erstellte Literaturdatenbank enthält bibliographische und inhaltliche Auswertungen von deutschen und internationalen Veröffentlichungen aus den Bereichen Brandschutz, Feuerwehr-und Rettungswesen, Unfälle, Katastrophenschutz sowie Randgebieten, wie Chemie, Physik, Medizin und Versicherungswesen.

Ausgewertet werden Zeitschriftenaufsätze, Forschungs- und Konferenzberichte sowie im Rahmen der deutschen Feuerwehrausbildung erstellte Facharbeiten. Die deutschsprachige Literaturdatenbank, die eine Zeitspanne von 1981 bis heute abdeckt, beinhaltet 58.000 Dokumentationseinheiten (DE) und wird monatlich um 160 DE erweitert. Die Datenbank steht allen Web-Nutzern kostenlos zur Verfügung. 

Die Online-Datenbank wird entweder über www.fachdokumentation-brandschutzwesen.de erreicht oder über die Homepages der IBK-FFB oder des IdF (www.idf.sachsen-anhalt.de) durch entsprechende Verlinkung.