Batteriebrände sind ein wachsendes Problem für die öffentliche Sicherheit. Hier erfahren Sie, wie Sie das Risiko verringern können

Im heutigen elektronischen Zeitalter sind wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien allgegenwärtig.Im Vergleich zu den Blei-Säure-Versionen, die den Batteriemarkt seit Jahrzehnten dominieren, können Lithium-Ionen-Batterien bei gleichem Gewicht schneller laden und mehr Energie speichern.

Diese Geräte machen unsere elektronischen Geräte und Elektroautos leichter und langlebiger – sie haben aber auch Nachteile.Sie enthalten viel Energie, und wenn sie Feuer fangen, brennen sie, bis die gesamte gespeicherte Energie freigesetzt wird.Die plötzliche Freisetzung großer Energiemengen kann zu Explosionen führen, die Leben und Eigentum gefährden.

Als Wissenschaftler, die studieren Energieerzeugung, Lagerung Und Konvertierung, Und Automobiltechnik, Wir haben ein starkes Interesse an der Entwicklung energiedichter und sicherer Batterien.Und wir sehen ermutigende Anzeichen dafür, dass Batteriehersteller Fortschritte bei der Lösung dieses bedeutenden technischen Problems machen.

Eine neue Brandgefahr

Der städtische Verkehr durchläuft einen Wandel hin zur Elektrifizierung.Da in Städten auf der ganzen Welt die Sorge um den Klimawandel und die Luftqualität zunimmt, Elektrofahrzeuge stehen im Mittelpunkt.

Gleichzeitig verändern E-Bikes und Elektroroller den städtischen Nahverkehr, indem sie bequeme, kohlenstoffarme Möglichkeiten bieten, sich auf überfüllten Straßen zurechtzufinden und Verkehrsstaus zu reduzieren.Von 2010 bis 2022 entfielen darauf geteilte E-Bikes und E-Scooter – also solche, die sich im Besitz von Verleihnetzwerken befinden mehr als eine halbe Milliarde Fahrten in den USAStädte.Private E-Bikes tragen dazu bei:Im Jahr 2021, In den USA wurden mehr als 880.000 E-Bikes verkauft., verglichen mit 608.000 Elektroautos und -lastwagen.

Batteriebetriebene Fahrzeuge machen das aus ein kleiner Anteil von Autobränden, aber Die Bekämpfung von Bränden in Elektrofahrzeugen ist schwierig.Typischerweise brennt ein Elektrofahrzeug bei etwa 2.760 °C (5.000 °F), während ein brennendes benzinbetriebenes Fahrzeug bei 815 °C (1.500 °F) brennt.Um ein brennendes benzinbetriebenes Fahrzeug zu löschen, werden etwa 2.000 Gallonen Wasser benötigt;Das Löschen eines Elektrofahrzeugbrandes kann dauern 10 Mal mehr.

Dies ist ein großes Problem in Großstädten, in denen Elektrofahrzeuge beliebt sind.Feuerwehren in New York City und San Francisco berichten über die Bearbeitung mehr als 660 Brände mit Lithium-Ionen-Batterien seit 2019.In New York City verursachten diese Brände 12 Tote und mehr als 260 Verletzte von 2021 bis Anfang 2023.Es besteht eindeutig Bedarf an sichereren Handhabungs- und Ladepraktiken sowie technischen Verbesserungen an Batterien.

Viele Batterien in einem Elektrofahrzeug

Um Brände von Lithium-Ionen-Batterien zu verstehen, ist es wichtig, einige Grundlagen zu kennen.Eine Batterie enthält Chemikalien, die Energie enthalten, und verfügt über einen Separator zwischen ihren positiven und negativen Elektroden.Es funktioniert Umwandlung dieser Energie in Strom.

Die beiden Elektroden einer Batterie sind von einem Elektrolyten umgeben – einer Substanz, die den Fluss elektrischer Ladung zwischen den beiden Anschlüssen ermöglicht.In einer Lithium-Ionen-Batterie beispielsweise tragen Lithium-Ionen die elektrische Ladung.Wenn ein Gerät an eine Batterie angeschlossen wird, finden an den Elektroden chemische Reaktionen statt, die einen Elektronenfluss im externen Stromkreis erzeugen, der das Gerät mit Strom versorgt.

Mobiltelefone und Digitalkameras können mit einer einzigen Batterie betrieben werden, ein Elektroauto benötigt jedoch viel mehr Energie und Leistung.Je nach Bauart kann ein Elektrofahrzeug enthalten Dutzende bis Tausende einzelner Batterien, die als Zellen bezeichnet werden.Zellen werden in sogenannten Modulen zusammengefasst, die wiederum zu Paketen zusammengesetzt werden.Ein Standard-Elektrofahrzeug enthält einen großen Batteriesatz mit vielen Zellen darin.

Was verursacht Batteriebrände?

Typischerweise ein Batteriebrand beginnt in einer einzelnen Zelle in einem größeren Akkupack.Es gibt drei Hauptgründe dafür, dass sich eine Batterie entzündet:mechanischer Schaden, wie z. B. Quetschen oder Eindringen beim Zusammenstoß von Fahrzeugen;elektrischer Schaden von außen oder innen Kurzschluss;oder Überhitzung.

Batteriekurzschlüsse können durch fehlerhafte äußere Handhabung oder unerwünschte chemische Reaktionen innerhalb der Batteriezelle verursacht werden.Wenn Lithium-Ionen-Batterien zu schnell aufgeladen werden, können durch chemische Reaktionen sehr scharfe Lithiumnadeln, sogenannte Dendriten, auf der Anode der Batterie – der Elektrode mit negativer Ladung – entstehen.Schließlich durchdringen sie den Separator und erreichen die andere Elektrode, wodurch die Batterie intern kurzgeschlossen wird.

Solche Kurzschlüsse erhitzen die Batteriezelle auf über 100 °C.Die Temperatur des Akkus steigt zunächst langsam und dann auf einmal an und erreicht in etwa einer Sekunde ihren Höchstwert.

Ein weiterer Faktor, der den Umgang mit Bränden von Lithium-Ionen-Batterien erschwert, ist die Sauerstoffentwicklung.Wenn die Metalloxide in der Kathode oder positiv geladenen Elektrode einer Batterie erhitzt werden, werden sie Sauerstoffgas zersetzen und freisetzen.Brände benötigen zum Brennen Sauerstoff, daher kann eine Batterie, die Sauerstoff erzeugen kann, einen Brand aufrechterhalten.

Aufgrund der Beschaffenheit des Elektrolyten führt ein Anstieg der Temperatur einer Lithium-Ionen-Batterie um 20 % dazu, dass einige unerwünschte chemische Reaktionen viel schneller ablaufen, wodurch übermäßige Wärme freigesetzt wird.Diese überschüssige Wärme erhöht die Batterietemperatur, was wiederum die Reaktionen beschleunigt.Die erhöhte Batterietemperatur erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit und erzeugt einen Prozess namens thermisches Durchgehen.In diesem Fall kann die Temperatur in einer Batterie in einer Sekunde von 100 °C (212 °F) auf 1.000 °C (1.800 °F) ansteigen.

Bewältigung des Problems des thermischen Durchgehens

Methoden zur Gewährleistung der Batteriesicherheit können sich auf die Bedingungen außerhalb oder innerhalb der Batterie konzentrieren.Beim externen Schutz werden in der Regel elektronische Geräte wie Temperatursensoren und Druckventile eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Batterie keiner Hitze oder Kraft ausgesetzt wird, die einen Unfall verursachen könnte.

Allerdings machen diese Mechanismen den Akku größer und schwerer, was die Leistung des von ihm betriebenen Geräts beeinträchtigen kann.Und unter extremen Temperaturen oder Drücken, wie sie beispielsweise bei einem Autounfall entstehen, sind sie möglicherweise nicht zuverlässig.

Interne Schutzstrategien konzentrieren sich auf die Verwendung eigensicherer Materialien für Batteriekomponenten.Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit, potenzielle Gefahren an ihrer Quelle anzugehen.

Um ein thermisches Durchgehen in einem Batteriepack weniger intensiv zu machen, ist eine Mischung aus Folgendem erforderlich Software- und Hardware-Verbesserungen.Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung von Kathoden, die beim Zerfall weniger Sauerstoff freisetzen;nicht brennbare Elektrolyte; Festkörperelektrolyte, die kein Feuer fangen und auch dazu beitragen können, das Dendritenwachstum zu lindern;und Separatoren, die das können halten hohen Temperaturen stand, ohne zu schmelzen.

Eine andere Lösung ist bereits im Einsatz: Batteriemanagementsysteme.Hierbei handelt es sich um in Batteriepacks integrierte Hardware- und Softwarepakete, die wichtige Batterieparameter wie den Ladezustand, den Innendruck und die Temperatur der Zellen im Batteriepack überwachen können.

So wie ein Arzt die Symptome eines Patienten zur Diagnose und Behandlung seiner Krankheit nutzt, können Batteriemanagementsysteme Zustände innerhalb des Batteriepakets diagnostizieren und autonome Entscheidungen treffen, um Batterien mit Hotspots abzuschalten oder die Lastverteilung so zu ändern, dass dies bei einzelnen Batterien nicht der Fall ist wird zu heiß.

Die Batteriechemie entwickelt sich rasant weiter, sodass neue Designs neue Batteriemanagementsysteme erfordern.Viele Batteriehersteller sind es Partnerschaften bilden die Hersteller mit komplementärem Batterie-Know-how zusammenbringen, um diese Herausforderung zu bewältigen.

Benutzer können auch Maßnahmen ergreifen maximale Sicherheit.Verwenden Sie vom Hersteller empfohlene Ladegeräte und Steckdosen und vermeiden Sie es, Ihr Elektrofahrzeug zu überladen oder es über Nacht angeschlossen zu lassen.Überprüfen Sie die Batterie regelmäßig auf Anzeichen von Beschädigung oder Überhitzung.Parken Sie das Fahrzeug fern von extrem heißen oder kalten Umgebungen – zum Beispiel bei Hitzewellen im Schatten parken – um eine thermische Belastung der Batterie zu vermeiden.

Befolgen Sie schließlich im Falle einer Kollision oder eines Unfalls mit einem Elektrofahrzeug die Sicherheitsprotokolle des Herstellers und klemmen Sie nach Möglichkeit die Batterie ab, um das Risiko eines Brandes oder eines Stromschlags zu minimieren.