Verhalten von Lithium-Ionen-Akkumulatoren bei verschiedenen Brandszenarien Karola Keutel1, Elke Jahn1, Marco van Lier2 1Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr Sachsen‐Anhalt – 2GDV – Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V., Abteilung Sach‐ und Technische Versicherung, Schadensverhütung, Statistik Einleitung • • • • Unterscheidung zwischen Primär‐ und Sekundär‐Akku Zunehmender und vielseitiger Einsatz von Li‐Ionen‐Akku Vorteil: hohe Energiedichte pro Masse und pro Volumen Nachteil: enge Sicherheits‐ grenzen der Einsatzfähigkeit 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 2 Einleitung Lenovo ThinkPad Notebook 2014 Bombardier Recreational Products Ski‐Doo Gloves 2014 Grenzen durch zerstörende Ursachen Innere Ursachen: Interner Kurzschluss, Chemische Reaktion Elektrische Ursachen: Überladung, Tiefentladung, Externer Kurzschluss Mechanische Ursachen: Stoß, Schlag, Stich, Unterdruck Thermische Ursachen: Wärmezufuhr Umwelttechnische Ursachen: Alterung, chemische Reaktion von außen, Wasserkontakt Gefahren durch die Zerstörung von Li‐Ionen‐Akkus • • Wärmeentwicklung, Wärmeabgabe, Selbstentzündung, Explosion Freisetzung von gesundheitsgefährdenden, brennbaren Substanzen (gasförmig, flüssig) 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 3 Einleitung Flammen auf den Paletten im Lager, Li‐Ionen‐Akkus mittendrin, 06.2013, Institut für Schadensverhütung und Schadensforschung Überhitzer Akku löst Brand aus, Spielzeug, Mann verletzt, 04.2014, 112‐magazin Schmorbrand mit Notlandung (All Nippon Airways Japan, 01.2013) 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 4 Versuchsobjekte Auswahlkriterium: häufigste Verwendung als Einzelzelle oder als Akku‐Packung Bauform: zylindrisch Bauform vom Typ 18650 Elektrodenmaterialien: Name Elektroden‐ material Elektrolyt: Akku 1 Akku 2 Akku 3 Akku 4 LiNiCoAlO2 LiFePO4 LiMn2O4 LiNiMnCoO2 gemäß Lieferant identisch (Volumen: 4‐5 ml) Separator und Binder: unbekannt Ladungszustand: 28.04.2015 ungeladen ‐ wie vom Hersteller geliefert (Ladung ≠ 0 %) geladen ‐ einmal mit kommerziellen Ladegerät aufgeladen Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 5 Versuchsstrategie Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Erwärmung des Zylinderboden Erwärmung der Zylindermantelfläche Erwärmung durch Beflammung Akku‐Packung stehend auf planer Elektroheizfläche Stehende Akku‐Packung umwickelt mit Heizdraht Akku‐Packung stehend oberhalb eines Poolfeuers Vertikale Brandausbreitung Longitudinale Brandausbreitung Direkte Flammeneinwirkung 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 6 Versuchsaufbau Wärmequellen Szenario 1: Regelbare Heizplatte mit Fläche 280x200 mm Szenario 2: Regelbarer Tantal‐ Heizdraht mit 9,5 Windungen (85 W) Szenario 3: 100 ml Isopropanol in Brandwanne mit Fläche 150x150 mm 1 – Abbrandwaage 2 – Wärmeschutzplatte 3 – Wärmequelle 4 – Akkuarretierung 5 – Videokamera 6 – Akkumulatorenpackung 7 – Wärmeflusssensor 28.04.2015 8 – Wärmebildkamera 9 – bidirektionale Sonde 10 – Rauchfang 11 – FTIR‐Probenentnahme 12 – Horiba‐Probenent‐ nahme 13 – Thermoelementen‐ kette 14 – Videoaufzeichnung 15 – Feldbussystem 16 – FTIR‐ Analysator 17 – Horiba‐Analysator 18 ‐ Thermoelemente Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 7 Ergebnisse des Szenarios 1 (Boden) Abbrandverhalten in drei Phasen Sorte Phase 1 Öffnung Überdruckventil Akku 1 ungeladen geladen Akku 2 ungeladen geladen Akku 3 ungeladen geladen Akku 4 ungeladen geladen 28.04.2015 Phase 2 Ausgasung Phase 3 a: Explosion b: Zündung > 130 °C > 148 °C > 200 °C, a und b > 125 °C ‐ > 200 °C, a und b > 94 °C Kontinuierlich nach Phase 1 ‐ > 105 °C > 130 °C > 230 °C, a und b > 145 °C Kontinuierlich nach Phase 1 ‐ > 130 °C > 150 °C > 180 °C, a und b > 116 °C > 210 °C ‐ > 90 °C Zeitgleich mit Phase 1 > 169 °C, a Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 8 Ergebnisse des Szenarios 1 (Boden) Phase 2 Phase 1 Akku 1 ungeladen Phase 3 Akku 1 geladen Phase 3 Phase 3 Phase 2 Phase 1 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – Phase 1 9 Ergebnisse des Szenarios 2 (Mantel) Abbrandverhalten in drei Phasen Sorte Phase 1 Öffnung Überdruckventil Akku 1 ungeladen geladen Akku 2 ungeladen geladen Akku 3 ungeladen geladen Akku 4 ungeladen geladen 28.04.2015 Phase 2 Ausgasung Phase 3 a: Explosion b: Zündung > 180 °C > 230 °C ‐ > 140 °C > 167 °C > 220 °C, a und b > 135 °C > 182 °C ‐ > 134 °C > 200 °C a nach Phase 2 > 190 °C Kontinuierlich nach Phase 1 ‐ > 172 °C ‐ >215 °C a und b > 163 °C > 232 °C ‐ > 150 °C Zeitgleich mit Phase 3 > 220 °C , a und b Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 10 Ergebnisse des Szenarios 2 (Mantel) Akku 1 Heizwendel Video 43 Akku 3 ungeladen Akku 3 geladen Phase 3 Phase 1 28.04.2015 Phase 1 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 11 Ergebnisse des Szenarios 3 (Beflammung) Abbrandverhalten in drei Phasen Sorte Phase 1 Öffnung Überdruckventil Akku 1 ungeladen geladen Akku 2 ungeladen geladen Akku 3 ungeladen geladen Akku 4 ungeladen geladen Phase 2 Ausgasung Phase 3 a: Explosion b: Zündung ≥ 85 s ‐ ≥ 85 s ≥ 100 s, a und b ≥ 65 s ≥ 140 s, a und b ≥ 65 s ≥ 95 s, a ≥ 80 s ≥ 90 s, b mit Funkenflug ≥ 90 s ≥ 100 s, a und b ≥ 60 s ‐ ≥ 60 s ≥ 100 s, b mit Rauch Bezug Klammerangaben auf Phase zuvor 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 12 Ergebnisse des Szenarios 3 (Beflammung) Akku 3 Isopropanol Video 112 Akku 4 ungeladen Akku 4 geladen Phase 3 Phase 2 28.04.2015 Phase 2 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 13 Ergebnisse der Gasmessung Singuläre Gasprobeuntersuchung mittels FTIR‐Spektroskopie Auswahl untersuchter Gasspezies: • • • Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Methan, Propan, Acrolein, Ameisensäure und andere Diethyl‐, Dimethyl‐, Ethylen‐, Methylethyl‐, Propylen‐ und Vinylencarbonat Fluorwasserstoff (HF), Carbonylfluorid (COF2) und Phosphoroxidfluorid (POF3) Akkumulator mit ausgetriebenem Inhalt 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 14 Ergebnisse der Gasmessung Szenario 1, Akku 1, geladen 300 Konzentration in ppm CO2 600 CO Acrolein Dimethylcarbonat Methylethylcarbonat Ethylencarbonat POF3 CO2 500 1500 250 1200 200 900 150 300 600 100 200 300 50 100 0 0 600 720 400 840 960 Temperatur in °C 1800 0 1080 Zeit in s 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 15 Ergebnisse der Gasmessung Szenario 2, Akku 2, geladen CO2 Konzentration in ppm 700 800 700 600 600 500 500 400 400 300 300 600 CO SO2 Acrolein Dimethylcarbonat Methylethylcarbonat Ethylencarbonat Propylencarbonat POF3 CO2 500 400 300 200 200 200 100 100 Temperatur in °C 800 100 0 0 960 0 1020 1080 1140 1200 1260 1320 1380 1440 1500 1560 1620 Zeit in s 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 16 Ergebnisse der Gasmessung Szenario 3, Akku 3, geladen 200 200 15000 150 CO Propen Dimethylcarbonat n-Heptan HF Propylencarbonat COF2 CO2 TAkku 10000 100 TPool 5000 50 0 0 Konzentration in ppm CO2 0 60 120 180 100 Temperatur in °C 20000 0 240 Zeit in s 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 17 Ergebnisse der Gasmessung Szenario 3, Akku 4, ungeladen 9000 200 600 CO Ethen Propen Dimethylcarbonat Acrolein HF CO2 TAkku 180 Konzentration in ppm CO2 8000 160 7000 140 6000 120 5000 100 4000 80 3000 60 2000 40 1000 20 0 0 500 400 TPool 300 200 Temperatur in °C 10000 100 0 60 120 180 0 240 Zeit in s 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 18 Brandbekämpfung und Nachsorge Brandbekämpfung ‐ aktueller Stand • Bevorzugte Löschmittel: Wasser oder wässrige Löschmittel wie Schaum oder Gel Kühlung und Verdünnung, ggf. Sauerstoffentzug • Alternative Löschmittel: CO2, Inertgas Sauerstoffentzug Nachsorge – aktueller Stand • Löschwasser: Auffangen und als Sondermüll entsorgen • Brandgut: Sondermüll, fachgerechte Entsorgung (Spezialbehältnisse) • Erdreich: zurzeit unbekannt 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 19 Zusammenfassung • Untersuchung von 4 Sorten Akkumulatoren in 2 verschiedenen Ladungszuständen • Test anhand von 3 Szenarien der Wärmebeaufschlagung • Moderates Abbrandverhalten von getesteten Li‐Ionen‐Akku im ungeladenen Zustand bei Wärmexposition vom Boden und der Akkumulatorenmantelfläche (1 Ausnahme: ungeladener Akku 1, Szenario 1) • Li‐Ionen‐Akku im geladenen Zustand bei der Wärmebeaufschlagung der Szenarien 1 und 2 ein hohes Potential an Explosions‐ und Brandgefahr • Bersten des Überdruckventils und Freisetzung des Elektrolyts bei Beflammung (t = 90 s) von Li‐Ionen‐Akku (2 Ausnahmen: ungeladene Akkusorten 1 und 4) 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 20 Zusammenfassung • Explosion und/oder Entzündung des freigesetzten Elektrolyts bei anhaltender Beflammung • Identifikation typischer Rauchgasbestandteilen wie CO und CO2 sowie Bestandteile des Elektrolyts Dimethyl‐, Methylethyl‐, Ethylen‐ und Propylencarbonat‐ einige entzündbar, entflammbar und gesundheitsgefährdend • Freisetzung des Leitsalzes LiPF6 durch Nachweis seiner Zersetzungs‐ und Reaktionsprodukte COF2, POF3 und HF • COF2, POF3 und HF in kleinen Konzentrationen gesundheitsschädigend und lebensgefährlich 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 21 Danksagung Die Autoren bedanken sich • für die finanzielle Unterstützung beim Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V.; • für die technische Unterstützung bei der Universität Magdeburg, Institut für Apparate‐ und Umwelttechnik, Abt. Anlagentechnik und Anlagensicherheit; • für die Diskussionsbereitschaft bei BMZ GmbH. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ich beantworte gerne Ihre Fragen. 28.04.2015 Institut für Brand‐ und Katastrophenschutz Heyrothsberge Abteilung Forschung – Institut der Feuerwehr – 22
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