Lithium-Ionen-Batterien: Warum und wann bergen sie das Risiko einer chemischen Kontamination?

In den vergangenen Jahren hat die Nutzung von Elektrokleinstfahrzeugen (eKF), die mit einem Nicht-Verbrennungsmotor ausgestattet sind, wie z. B. Roller, Fahrräder, Einräder, Hoverboards und ähnliche Geräte, zugenommen. Ebenso wie immer mehr Elektrofahrzeuge sind auch die meisten eKF mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet, die wegen ihrer hervorragenden Langlebigkeit und effizienten Energiespeicherung geschätzt werden.

Wie funktionieren Lithium-Ionen-Batterien?

Lithium-Ionen-Batterien werden seit den 90er Jahren von Sony vermarktet und ermöglichen die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Sie speichern elektrische Energie und können aufgeladen und entladen werden. Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus einer oder mehreren Zellen (Energiezellen). Diese Zellen sind durch ein Gehäuse geschützt, dessen Form und Größe variieren kann. Jede Zelle besteht hauptsächlich aus einer positiven Elektrode (Kathode), einer negativen Elektrode (Anode), einem Elektrolyten (flüssiger Ionenleiter, der ein Lösungsmittel und ein Leitsalz enthält) und einem Separator (physikalische Barriere zwischen Anode und Kathode).

Die wichtigste chemische Verbindung der Kathode ist metallisches Lithium, wie z. B. Lithium-Cobaltdioxid (LiCoO₂). Die Anode besteht hauptsächlich aus kohlenstoffhaltigem Lithium wie Graphit. Durch die Oxidationsreaktion in der Anode werden Elektronen erzeugt, welche durch die Reduktionsreaktion in der Kathode von letzterer aufgenommen werden.

Beim Ladevorgang des Akkus werden die in der positiven Elektrode (Kathode) gespeicherten Lithium-Ionen Li⁺ anhand des Elektrolyten zur negativen Elektrode (Anode) transportiert, während sich die Elektronen von der Anode zur Kathode bewegen. Wenn sich der Akku entlädt und elektrischen Strom erzeugt (Energie wird in Form von Elektrizität aus der Zelle des Akkus abgegeben), bewegen sich die Lithium-Ionen Li⁺ in die umgekehrte Richtung. Dieser elektrische Strom wird dann umgewandelt, um einen Motor oder ein elektronisches Gerät anzutreiben.

Stellt die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien ein Risiko dar?

Die Temperaturregulierung innerhalb von Lithium-Ionen-Batterien spielt eine wichtige Rolle für deren Lebensdauer, Leistung und Sicherheit.

Die optimale Betriebstemperatur eines Lithium-Ionen-Akkus liegt zwischen 20 und 40 °C. Die meisten Lithium-Ionen-Batterien sind mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) ausgestattet, welches u. a. den Betrieb bei Überschreiten einer zu hohen Temperaturschwelle (in der Regel 60 °C) unterbricht.

Steigt die Temperatur der Batterie Akkus über diesen Schwellenwert, kommt es zu einer Zersetzung der Anodenbeschichtung. Über 70 °C beginnt der Elektrolyt zu verdampfen und der Druck in der Zelle erhöht sich, was zu mechanischen Defekten im Inneren des Akkus führen kann. Die Wärme erhöht zudem die Reaktionsgeschwindigkeit, wodurch die Temperatur des Akkus noch weiter ansteigt. Aufgrund von aufeinanderfolgenden exothermen chemischen Reaktionen innerhalb der einzelnen Zellen kann ein es zu einer Überhitzungkommen und folglich ein Dominoeffekt ausgelöst werden, wodurch jede einzelne Zelle des Akkus geschädigt wird. Ein solche Überhitzung kann durch Überladung, Kurzschluss oder externe Hitzeeinwirkung verursacht werden. Der unkontrollierte Anstieg von Temperatur und Druck im Inneren des Akkus führt zu einer Schädigung des Elektrolyten, der austreten (in flüssiger Form oder als Gas), sich entzünden und explodieren kann.

Der Elektrolyt besteht aus einem Lösungsmittel, das hauptsächlich organische Carbonate und ein Leitsalz wie Lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) enthält. Organische Carbonate in flüssiger Form oder als Gas bergen ein hohes Entzündlichkeitsrisiko, während Lithiumhexafluorophosphat im Falle eines Verschluckens schädlich ist und bei Kontakt mit der Haut oder den Augen schwere Schäden verursacht. Bei längerem oder wiederholtem Kontakt kann es auch zu Organschäden führen. Wenn der Elektrolyt austritt und mit Feuchtigkeit oder Wasser reagiert oder sich entzündet, kann Flusssäure (HF) in flüssiger Form oder als Gas entstehen. Die Konzentration hängt von der Verbrennungstemperatur und der Menge des entzündeten Elektrolyten ab.

Flusssäure stellt eine doppelte Gefahr für den menschlichen Körper dar: Sie wirkt ätzend, da die H⁺-Ionen der Säure die obersten Hautschichten zerstören, und ist äußerst giftig, da die F^–-Fluorid-Ionen in die Tiefe eindringen und Zellnekrosen verursachen. Die Chelatbildung von Fluorid-Ionen auf Kalzium und Magnesium führt zu einer Hypokalzämie und einer Hypomagnesiämie sowie zur Zerstörung des darunter liegenden Gewebes. Die Aufzehrung dieser Elemente hat einen Kaliumüberschuss zur Folge und verursacht ein biologisches Ungleichgewicht, das sich in Herzrhythmusstörungen äußern kann.

Je höher die Konzentration der Flusssäure, desto schneller spürt das Opfer die Folgen der chemischen Exposition. Wenn die Konzentration der Flusssäure beispielsweise unter 20 % liegt, treten die Schmerzen erst 24 Stunden nach dem Kontakt mit dem Gewebe auf. Die Schwere und die Folgen der Exposition hängen von der Menge und der Konzentration der Flusssäure und der betroffenen Körperoberfläche ab. Der Kontakt mit Flusssäure kann schwere systemische Folgen (bis hin zum Herzstillstand), schweren Verätzungen der Haut, der Augen oder des Verdauungstraktes sowie ‑ im Falle eines Einatmens ‑ zu Reizungen der Atemwege bis hin zu Lungenödemen haben.

Neben Flusssäure entstehen auch andere giftige Gase (Kohlenmonoxide), die durch die Verbrennung des Elektrolyten freigesetzt werden.

Reaktion und Schutzmaßnahmen im Falle eines Defekts einer Lithium-Ionen-Batterie

Auch wenn Lithium-Ionen-Batterien zuverlässig sind und die Brandgefahr verhältnismäßig niedrig ist, ist es wichtig, die Sicherheitshinweise für den Umgang, die Lagerung und die Entsorgung zu kennen (siehe die Bedienungsanleitung, die Ihrem Elektrogerät beiliegt). Im Falle eines Ausfalls einer Lithium-Ionen-Batterie, bei dem es zu einer Gasentwicklung kommt, ist es sehr wichtig, sich von dem Akku zu entfernen, um sich nicht den schädlichen Gasen oder Flammen auszusetzen.

Im Falle eines Kontakts der Augen oder der Haut mit Flusssäure (in flüssiger Form oder als Gas) ist es äußerst wichtig, so schnell wie möglich mit der Dekontamination zu beginnen, entweder mit Wasser (idealerweise innerhalb von 10 Sekunden nach dem Chemikalienspritzer) gefolgt von einer Behandlung mittels Calciumgluconats oder sonst direkt mit der HEXAFLUORINE®-Lösung.

Wasser ist eine passive, hypotone Lösung, mit der der Gefahrstoff von der Oberfläche des menschlichen Gewebes entfernt werden kann. Nach der Spülung mit Wasser kann durch die Applikation von Calciumgluconat die  die Wirkung der Fluorid-Ionen gegrenzt werden..

Die HEXAFLUORINE®-Lösung ist eine aktive, hypertone Lösung. Ebenso wie Wasser bietet sie die Möglichkeit, Flusssäure von der Gewebeoberfläche zu entfernen. Darüber hinaus ermöglicht sie, Flusssäure aus dem Gewebe zu entfernen. Der Wirkstoff der HEXAFLUORINE®-Lösung ist in der Lage, die chemische Wirkung von Wasserstoff- und Fluorid-Ionen aufzuhalten. Mithilfe der HEXAFLUORINE®-Lösung kann sofort mit der Extraktion der eingedrungenen Flusssäure begonnen werden. Sie bietet einen größeren Handlungsspielraum bei der Dekontamination einer Chemikalie, die tödlich sein kann. Im Rahmen eines wirksamen Dekontaminationsprotokoll müssen Kleidung und Accessoires abgelegt werden. In jedem Fall sollte ärztlicher Rat eingeholt werden.

Achtung! Selbst wenn die brennende Lithium-Ionen-Batterie gelöscht wurde, kommt es häufig vor, dass das Feuer einige Stunden oder Tage nach dem ursprünglichen Vorfall aufgrund eines erneut stattfindenden Überhitzens wieder aufflammt!