Sicherheit im Fokus: Thermisches Durchgehen bei Elektrofahrzeugen und Löschanweisungen
Die Elektromobilität hat in den letzten Jahren eine beispiellose Dynamik erfahren. Mit steigenden Verkaufszahlen, ambitionierten Klimazielen und einer wachsenden Ladeinfrastruktur wird der Verbrennungsmotor zunehmend in den Hintergrund gedrängt. Doch parallel zur Akzeptanz steigt auch die öffentliche Aufmerksamkeit für die Sicherheit von Elektrofahrzeugen – insbesondere im Zusammenhang mit Batteriebränden. Obwohl die Gesamtanzahl an Bränden im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nach wie vor geringer ist, unterscheiden sich die Brandgefahren von Elektrofahrzeugen grundlegend in ihrer Entstehung, Ausbreitung und Bekämpfung. Das Phänomen des thermischen Durchgehens in Lithium-Ionen-Batterien steht dabei im Zentrum der technischen und sicherheitsrelevanten Diskussion.
Im ersten Quartal 2022 verzeichnete das chinesische Ministerium für Notfallmanagement 640 Brände bei Elektrofahrzeugen – ein Anstieg um 32 Prozent gegenüber dem Vorjahr. Diese Zahl entspricht durchschnittlich mehr als sieben Bränden pro Tag und übertrifft die durchschnittliche Brandhäufigkeit herkömmlicher Fahrzeuge. Diese Daten unterstreichen, dass trotz der ökologischen Vorteile der Elektromobilität Sicherheitsaspekte nicht vernachlässigt werden dürfen. Die Brandursachen bei Elektrofahrzeugen sind vielfältig, doch rund 60 Prozent der Vorfälle gehen auf Probleme mit der Hochvoltbatterie zurück. Weitere 21 Prozent entstehen durch mechanische Beschädigungen, beispielsweise bei Unfällen. Diese Zahlen zeigen deutlich, dass die Batterie nicht nur das Herzstück des Fahrzeugs, sondern auch der kritischste Punkt in Bezug auf Brandrisiken ist.
Ein Elektrofahrzeug unterscheidet sich grundlegend von einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Anstelle eines Motors, der Kraftstoff verbrennt, wird die Energie in einer Batterie gespeichert und über einen Elektromotor an die Räder weitergeleitet. Das elektrische Antriebssystem, bestehend aus Motor, Leistungselektronik und Batteriemanagementsystem, ist das zentrale Element. Die Batterie selbst, meist eine Lithium-Ionen-Zelle, speichert chemische Energie, die bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Umwandlung ist effizient, aber bei Fehlfunktionen oder Beschädigungen kann es zu gefährlichen Reaktionen kommen.
Die Brandgefahren bei Elektrofahrzeugen lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Brände, die von der Batterie ausgehen, und solche, die an anderen Stellen des Fahrzeugs entstehen, etwa im Innenraum oder im Elektromotor. Während letztere mit klassischen Brandbekämpfungsmethoden behandelbar sind, stellen Batteriebrände eine besondere Herausforderung dar. Die Lithium-Ionen-Batterie ist aufgrund ihrer hohen Energiedichte zwar leistungsfähig, aber auch anfällig für thermisches Durchgehen – einen unkontrollierten, selbstverstärkenden Temperaturanstieg, der zu Rauchentwicklung, Feuer und Explosion führen kann.
Thermisches Durchgehen ist kein plötzlicher, unerklärlicher Vorgang, sondern das Ergebnis einer Kettenreaktion, die durch eine oder mehrere Auslösemechanismen in Gang gesetzt wird. Forschungsergebnisse identifizieren drei charakteristische Temperaturpunkte im Verlauf einer solchen Reaktion: T1, die Anfangstemperatur; T2, die Starttemperatur des thermischen Durchgehens; und T3, die maximale Temperatur, die erreicht wird. Von besonderer Bedeutung ist T2, da ab diesem Punkt die interne Wärmeentwicklung die Wärmeabfuhr übersteigt und die Reaktion unumkehrbar wird. Sobald T2 erreicht ist, kann die Zelle nicht mehr gestoppt werden, und die Gefahr der Ausbreitung auf benachbarte Zellen steigt erheblich.
Die Auslöser für thermisches Durchgehen lassen sich in vier Hauptkategorien einteilen: elektrische Fehlbedienung, mechanische Fehlbedienung, interne Kurzschlüsse und thermische Überlastung. Jede dieser Kategorien beschreibt spezifische Szenarien, in denen die Batteriezelle über ihre sicheren Betriebsgrenzen hinaus belastet wird.
Elektrische Fehlbedienung umfasst Überladung, Tiefentladung und externe Kurzschlüsse. Überladung ist besonders kritisch, da dabei überschüssige Lithium-Ionen an der Anode abgelagert werden und sogenannte Lithium-Dendriten bilden. Diese nadelförmigen Strukturen können die dünne Trennschicht zwischen Anode und Kathode durchstoßen und einen internen Kurzschluss verursachen. In bestimmten Batteriechemien, wie NCA (Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid), führt Überladung auch zur Freisetzung von Sauerstoff aus der Kathode. Dieser Sauerstoff reagiert mit dem organischen, leicht entflammbaren Elektrolyten und setzt große Mengen an Wärme und Gas frei. Die sich aufbauenden Gase erhöhen den Innendruck, bis die Zelle entweicht oder platzt – oft unter Flammenbildung.
Mechanische Fehlbedienung tritt vor allem bei Unfällen auf. Bei einem Zusammenstoß können Batteriemodule verformt, gequetscht oder durchbohrt werden. Solche Beschädigungen können die interne Struktur der Zellen zerstören, die Separatorfolie reißen und so direkten Kontakt zwischen Anode und Kathode ermöglichen. Dieser interne Kurzschluss führt zu einer extrem schnellen Wärmeentwicklung an der Berührungsstelle. Unter allen mechanischen Schadensarten gilt die Durchstechung als die gefährlichste, da sie einen direkten, niederohmigen Kurzschluss erzeugt, der innerhalb von Sekunden zu extremen Temperaturen führt.
Interne Kurzschlüsse können auch ohne äußere Einwirkung entstehen. Herstellungsfehler wie metallische Grate an den Elektrofolien, falsch ausgerichtete Elektroden oder leitfähiger Staub in der Zelle können latente Schwachstellen darstellen. Diese Defekte bleiben oft über lange Zeit inaktiv, werden aber unter bestimmten Bedingungen – wie hoher Ladeleistung oder Temperaturspitzen – aktiv und führen dann zu einem Kurzschluss. Im Gegensatz zu durch Unfälle verursachten Schäden sind diese Ursachen schwer vorhersehbar, machen aber einen nicht unerheblichen Teil der Brandursachen aus.
Thermische Überlastung bezieht sich auf Situationen, in denen die Batterie durch externe oder interne Wärmequellen übermäßig erhitzt wird. Dies kann durch einen Defekt des Batteriekühlsystems, extreme Umgebungstemperaturen oder eine nahegelegene Brandquelle verursacht werden. Thermische Überlastung tritt selten isoliert auf, sondern verstärkt oft andere Fehler. Ein defektes Kühlsystem kann beispielsweise während des Schnellladens nicht ausreichend Wärme abführen, wodurch sich Hotspots in der Batterie bilden. Wenn diese Hotspots die kritische Temperatur T2 erreichen, kann das thermische Durchgehen einsetzen, auch wenn keine mechanische oder elektrische Fehlfunktion vorliegt.
Die verwendete Batteriechemie beeinflusst maßgeblich das Brandverhalten. Heute dominieren zwei Systeme den Markt: die dreifache Lithium-Chemie (NMC oder NCA) und Lithium-Eisenphosphat (LFP). Beide haben unterschiedliche Vor- und Nachteile hinsichtlich Energieinhalt, Lebensdauer und Sicherheit.
Dreifache Lithium-Batterien zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus, was eine größere Reichweite ermöglicht. Allerdings sind sie chemisch reaktiver und instabiler bei hohen Temperaturen. Sie können sich ohne externe Zündquelle entzünden, brennen sehr heiß – oft über 1.000 °C – und setzen dabei brennbare Partikel frei, die die Feuerweiterung begünstigen. Ihre Löschung erfordert große Wassermengen, um die gesamte Batterie ausreichend abzukühlen.
LFP-Batterien hingegen sind thermisch stabiler und benötigen in der Regel eine externe Zündquelle, um zu brennen. Ihre Flammen sind weniger intensiv, aber sie setzen enorme Mengen an Rauch frei, der hochgiftige Gase wie Kohlenmonoxid, Fluorwasserstoff und Phosgen enthält. Obwohl die sichtbare Flamme relativ einfach gelöscht werden kann, läuft die elektrochemische Reaktion im Inneren oft weiter. Dies führt zu einer hohen Wahrscheinlichkeit der Nachglut und des erneuten Entflammens – manchmal Stunden oder sogar Tage nach dem ursprünglichen Brandereignis.
Um diese Risiken zu minimieren, setzen Hersteller auf mehrstufige Sicherheitskonzepte, die auf Ebene der Zelle, des Moduls und des gesamten Batteriesystems greifen. Ein innovativer Ansatz ist die gerichtete Entlüftung von Batteriezellen. Statt dass die Zelle unkontrolliert platzt, ist sie so konstruiert, dass Gase und Flammen in eine definierte Richtung abgeleitet werden. Diese „gerichtete Explosion“ begrenzt die thermische Strahlung auf benachbarte Zellen und verhindert so eine Kettenreaktion.
Auf Modulebene kommen wärmeleitende, aber elektrisch isolierende Materialien wie Silikonpads oder flüssiggekühlte Kälteplatten zum Einsatz. Diese Bauteile absorbieren Wärme aus einer defekten Zelle und verteilen sie, um eine schnelle Ausbreitung zu verhindern. Einige Systeme integrieren sogar Phasenwechselmaterialien, die beim Schmelzen große Wärmemengen aufnehmen und so als Puffer wirken.
Auf Systemebene spielt das Batteriemanagementsystem (BMS) eine entscheidende Rolle. Es überwacht kontinuierlich Spannung, Strom und Temperatur jeder einzelnen Zelle. Bei Abweichungen – wie einem plötzlichen Spannungsabfall oder einem Temperaturanstieg – kann das BMS Gegenmaßnahmen ergreifen: Es kann den betroffenen Abschnitt abschalten, die Ladeleistung reduzieren oder die Kühlung aktivieren. In kritischen Fällen warnt es den Fahrer über das Armaturenbrett und kann sogar automatisch die Hochspannungsverbindung trennen.
Besonders vielversprechend sind prädiktive Algorithmen, die auf Daten des BMS basieren. Studien zeigen, dass nationale Überwachungsplattformen in der Lage sind, bis zu 69,6 Prozent der Brandereignisse bis zu zehn Tage im Voraus zu erkennen. Diese Frühwarnung ermöglicht eine proaktive Wartung und kann viele Brände verhindern, bevor sie überhaupt entstehen.
Trotz aller technischen Fortschritte bleibt die Brandbekämpfung eine Herausforderung, die spezielle Kenntnisse und Ausrüstung erfordert. Feuerwehrkräfte müssen sich bewusst sein, dass ein Brand an der Hochvoltbatterie nicht wie ein herkömmlicher Fahrzeugbrand behandelt werden kann. Die primäre Gefahr ist nicht die Flamme, sondern die unkontrollierte Wärmeentwicklung im Inneren der Batterie.
Vor jedem Einsatz ist eine gründliche Erkundung erforderlich. Mit Hilfe von Wärmebildkameras und Gasmessgeräten sollte der Zustand der Batterie beurteilt werden. Ist der Brand auf den Innenraum oder andere elektrische Komponenten beschränkt, können CO2- oder Pulverlöscher eingesetzt werden. Sobald jedoch die Batterie involviert ist, wird Wasser zum primären Löschmittel – nicht um die Flamme zu ersticken, sondern um die gesamte Batterie zu kühlen und die Temperatur unter den kritischen Punkt T2 zu senken. Dies erfordert Tausende von Litern Wasser, oft über einen Zeitraum von mehr als einer Stunde.
Besonders wichtig ist, dass die Batterie niemals durchbohrt, geschnitten oder geöffnet wird, ohne dass die Hochspannungsanlage sicher abgeschaltet ist. Hochspannungskabel, die meist orange gekennzeichnet sind, dürfen niemals berührt werden. Auch nach dem Löschen bleibt die Gefahr des erneuten Entflammens bestehen. Daher müssen Einsatzkräfte die Batterie kontinuierlich überwachen, bis sie vollständig abgekühlt ist. Ein Wärmebildgerät ist hierfür unverzichtbar.
Bei Ladevorgängen ist die Vorgehensweise anders. Zuerst muss die Stromzufuhr an der Ladestation unterbrochen werden, bevor am Fahrzeug gearbeitet wird. Erst danach können die üblichen Löschmaßnahmen ergriffen werden. Nach dem Einsatz müssen beschädigte Batterien in offenen, gut belüfteten Bereichen gelagert werden, fernab von Gebäuden und anderen Fahrzeugen.
Der persönliche Schutz der Einsatzkräfte ist von höchster Priorität. Die Verbrennung von Lithium-Ionen-Batterien setzt eine Vielzahl toxischer Gase frei, darunter Fluorwasserstoff, das bei Kontakt mit Haut und Atemwegen schwere Verätzungen verursachen kann. Daher ist die Nutzung eines Atemschutzgeräts (SCBA) zwingend erforderlich. Auch die Ausrüstung sollte nach jedem Einsatz gründlich gereinigt werden, um eine Kontamination zu vermeiden.
Neben den technischen und taktischen Aspekten spielt auch die Aufklärung der Fahrer eine entscheidende Rolle. Nutzer sollten die Ladeanweisungen des Herstellers befolgen, keine beschädigten Ladekabel verwenden und auf ungewöhnliche Warnmeldungen achten. Nach einem Unfall sollte die Batterie von einem Fachbetrieb geprüft werden, auch wenn keine äußeren Schäden sichtbar sind.
Normen wie GB 18384-2020 (Sicherheitsanforderungen für Elektrofahrzeuge) und GB 38032-2020 (Sicherheitsanforderungen für Elektrobusse) in China legen verbindliche Sicherheitsstandards fest. Diese umfassen Anforderungen an elektrische Isolation, Crashsicherheit und thermische Stabilität. Mit zunehmender Marktdurchdringung werden diese Standards voraussichtlich noch weiter verschärft.
Die Zukunft der Batteriesicherheit liegt in neuen Technologien. Feststoffbatterien, die den flüssigen Elektrolyten durch einen festen ersetzen, versprechen eine erhebliche Verbesserung der Sicherheit, da sie nicht entflammbar sind. Auch Natrium-Ionen-Batterien oder verbesserte Trennschichten könnten das Risiko reduzieren. Doch bis diese Technologien serienreif sind, bleibt die Kombination aus präventiver Technik, präziser Überwachung und professioneller Brandbekämpfung die beste Verteidigung gegen Batteriebrände.
Die Elektromobilität ist mehr als nur ein technologischer Wandel – sie erfordert eine neue Denkweise in Bezug auf Sicherheit, Wartung und Notfallreaktion. Nur durch enge Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Behörden, Feuerwehren und Nutzern kann das volle Potenzial dieser Technologie ausgeschöpft werden – sicher, nachhaltig und vertrauenswürdig.
Von Xing Tongjian, Feuerwehr- und Rettungstruppe Liaocheng, China Science and Technology Achievements, DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2024.08.011