Sicherheitshinweise für die Verwendung und Aufladung von kleinen und mittelgroßen Geräten, die mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden. CFPA-E Richtlinie Nr. 41:2023 F – auf Deutsch

Explosions- & Brandschutz

1 Einleitung
Lithium-Ionen-Batterien sind immer präsenter in unserem Leben, da sie als Stromquelle für kleine und mittlere elektronische Geräte dienen und ebenso als Energiespeichersysteme im großen Maßstab eingesetzt werden. Obwohl die Batterien als sichere Elemente gelten, ist keine Lithium-Ionen-Batterie vollständig risikofrei. Die Verwendung einer defekten Batterie kann einen thermischen Durchgehzustand verursachen, der einen Brand auslöst. Andere mögliche Gefahren sind elektrische Schläge und chemische Risiken.

Die Herausforderung eines Batteriebrands wird durch die Tatsache verstärkt, dass die chemische Reaktion der Batterie alle für das Feuer notwendigen Elemente enthält oder erzeugt (Wärme, Sauerstoff, brennbares Material). Ein wesentlicher Faktor bei Bränden von Lithium-Ionen-Batterien ist der thermische Durchgehzustand, der sich auf eine stark wärmeerzeugende Reaktion innerhalb der Batteriezelle bezieht, die zur Freisetzung von vergastem Elektrolyt, Entzündung und einer starken Flamme führen kann. Aufgrund dessen ist es schwierig, das Feuer zu löschen, weshalb es sehr wichtig ist, die Anzeichen, die auf ein mögliches Versagen der Batterie hinweisen, so früh wie möglich zu erkennen. Zusätzlich stellen die bei einem Brand einer Lithium-Ionen-Batterie entstehenden hochtoxischen Gase ein sehr hohes Risiko für Personen dar, die sich im selben Raum befinden, wenn das Feuer ausbricht.

Diese Richtlinie stellt Empfehlungen für die Benutzer von kleinen und mittleren elektronischen Geräten bereit, die mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden. Es wird auch auf andere mögliche Gefahren wie elektrische Schläge und chemische Risiken eingegangen.

2 Anwendungsbereich
Lithium-Batterien sind eine Energiequelle für viele kleine elektronische Geräte, wie z.B. Handys, Laptops, Kameras, Konsolen usw., sowie für mittelgroße Gegenstände wie Elektrofahrräder, Roller und Hoverboards. Alle diese Geräte und Gegenstände werden als sogenannte “tragbare Artikel” bezeichnet. Es muss zwischen Geräten oder Artikeln mit entnehmbaren Batterien (zum Aufladen) und solchen mit fest eingebauten Batterien (Laden fest im Artikel integriert) unterschieden werden.

Obwohl diese Geräte im Allgemeinen als sicher gelten (sie müssen immer eine Mindestqualität in Bezug auf Design und Herstellung gewährleisten), sind sie anfällig für Überhitzung, ein Phänomen, das insbesondere während des Ladevorgangs oder bei mechanischen Schäden auftreten kann, die die Integrität der Zellen beeinträchtigt haben.

Diese Richtlinie richtet sich an private Benutzer von kleinen und mittelgroßen tragbaren elektronischen Geräten, die mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben werden, und zielt darauf ab, Empfehlungen für eine sichere Verwendung zu geben. Die Verwendung solcher Geräte für kommerzielle oder industrielle Zwecke fällt nicht in den Anwendungsbereich dieser Richtlinie.

Ebenfalls nicht in den Anwendungsbereich dieser Richtlinie fallen Batterien mit großer Kapazität, wie z.B. Autobatterien, oder Batterien, die in Speicherbänken für die Energieerzeugung im großen Maßstab verwendet werden. Außerdem sind Primärbatterien (nicht wiederaufladbare) aus Lithium-Metall nicht Gegenstand dieser Richtlinie.

3 Definitionen
Lithium-Ionen
Es handelt sich um eine Art von wiederaufladbarer Batterie, bei der Lithium-Ionen von der negativen Elektrode (Anode) zur positiven Elektrode (Kathode) während der Entladung wandern und beim Laden wieder zurück.

Primäre (nicht wiederaufladbare) Lithium-Metall-Zellen
Diese Batterien verfügen über Anoden aus Lithium-Metall, die mit Kathoden aus verschiedenen Materialien (MnO2, CFx, FeS2, SOCL2 usw.) kombiniert werden können. Abhängig von der Anwendung und der beteiligten chemischen Reaktion kann das Produktformat eine Knopf- oder zylindrische Batterie sein. Diese Batterien sind nicht wiederaufladbar.

Sekundäre (wiederaufladbare) Lithium-Metall-Zellen
Das Hauptmerkmal dieser Batterien ist, dass sie wiederaufladbar sind. Abhängig von der Herstellung und den Komponenten können sie bis zu tausend Ladezyklen aushalten. Das Wiederaufladen ist möglich, weil das Lithium nicht in metallischer Form vorliegt, sondern als Teil von Verbindungen wie Graphit oder Lithium-Metalloxid, wobei es in ionischem Zustand von der Anode zur Kathode während der Entladung und von der Kathode zur Anode während des Ladens wandern kann. Sekundäre Batterien sind in zylindrischer, Knopf-, prismatischer und Beutelzellenform erhältlich, mit unterschiedlichen Robustheitsgraden.

Thermischer Durchgehzustand
Energieabgabe in Form von Wärme, die auftritt, wenn einige Batteriezellen ihre physische Integrität verlieren. Wenn eine Batterie einen thermischen Durchgehzustand erleidet, kann es zur sofortigen Entzündung der freigesetzten Gase kommen (insbesondere bei Batterien mit hohem Ladestand). Alternativ können sich die Gase ungezündet ausbreiten, mit der Möglichkeit einer Deflagration (sehr schnelle Verbrennung) oder Explosion, wenn sie auf eine externe Zündquelle treffen.

4 Gefahren
Wenn die Batterien durch mangelhafte Herstellung, unsachgemäße Verwendung oder mechanische Beschädigungen, unter anderem, beschädigt werden, kann dies zu einem Brand oder einer Explosion führen.

Die in einer Lithium-Ionen-Zelle gespeicherte Energiemenge ist sehr hoch. Zudem führt das Versagen einer Batterie zu einer Kettenreaktion, die als thermischer Durchgehzustand bezeichnet wird und die in der Batterie enthaltene Energie in kurzer Zeit freisetzt. Ein solches Versagen kann Temperaturen von über 500ºC erzeugen und brennende Partikel aussenden, die mehrere Meter weit geworfen werden können. In einigen Fällen können sich die Gase ungezündet ausbreiten und mit der Luft eine explosive Mischung bilden, die bei Kontakt mit einer externen Zündquelle zu einer Deflagration führt.

Beim Kauf von batteriebetriebenen Geräten ist es ratsam, die Sicherheitsmechanismen des Produkts zu prüfen, damit die Verwendung der Batterie so sicher wie möglich ist. Häufig sind in den Geräten BMS-Steuerungssysteme (Battery Management Systems) installiert, die eine abnormale Batteriefunktion erkennen und beispielsweise bei steigender Temperatur den Ladevorgang unterbrechen und die Stromzufuhr abschalten, damit die Batterie abkühlen kann. Batteriemanagementsysteme halten die Zellen im gewünschten sicheren Betriebsbereich, um mögliche Überlastungen zu vermeiden.

Folgende Aspekte sollten als potenzielle Ursachen für ein kritisches Versagen einer Batterie betrachtet und vermieden werden:

• Das Laden der Batterie mit Geräten, die nicht vom Hersteller empfohlen werden. Das Ladegerät muss in der Lage sein, den Ladevorgang zu stoppen, bevor der maximale Ladelimitwert der Batterie erreicht wird. Dadurch wird eine Überlastung der Batterie, die zu Überhitzung führt, vermieden.
• Mechanische Beschädigungen der Batterie (Durchstechen, Verformen, Herunterfallen usw.). Dies könnte die physische Integrität der Zellen zerstören.
• Sehr hohe Umgebungstemperaturen. Aus diesem Grund verfügen einige elektronische Geräte über ein automatisches Abschaltsystem, wenn sie eine bestimmte Temperatur erreichen. Außerdem sollten die Batterien von direkten Wärmequellen wie Heizgeräten und offenen Flammen ferngehalten werden.
• Durchführung des Ladevorgangs bei Gefriertemperaturen. Dies kann zur Bildung von metallischem Lithium in der Anode führen, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls steigt.
• Wenn Batterien bei Gefriertemperaturen gelagert werden müssen, sollten sie vor dem Laden aufgewärmt werden, um Schäden und Risiken zu minimieren.
• Wenn die Batterie und das Gerät längere Zeit nicht benutzt werden, sollte die Batterie nicht vollständig entladen werden, da dies die Batterie beschädigen kann. Die Batterie muss erhalten bleiben, damit die interne Spannung nicht zu stark absinkt, da sonst die Batterie beschädigt werden kann.

5 Sicherheitshinweise für den sicheren Gebrauch von batteriebetriebenen Geräten
Bei der Verwendung und/oder Aufladung von Lithium-Ionen-Batterien sollten folgende Sicherheitshinweise beachtet werden:

• Die Batterien müssen nach einem Mindestqualitätsstandard entworfen und hergestellt worden sein. Es ist wichtig, dass die Batterien und ihre Ladegeräte von einer unabhängigen Stelle geprüft und zertifiziert wurden. Befolgen Sie die Bedienungsanleitungen und Handbücher des Geräts.
• Verwenden Sie immer die vom Hersteller des Geräts empfohlenen Batterien.
• Verwenden Sie immer das vom Hersteller der Batterie empfohlene Ladesystem.
• Vermeiden Sie eine Überlastung der Batterien. Um dies zu gewährleisten, verfügen die vom Hersteller empfohlenen Ladeeinrichtungen in der Regel über eine Abschaltung des Ladesystems, sobald der Ladevorgang abgeschlossen ist.
• Lassen Sie die Batterie nicht ständig am Ladegerät. Lassen Sie die Batterie nicht vollständig entladen.
• Vermeiden Sie jegliche Beschädigung der Batterien. Überprüfen Sie sie auf Anzeichen von Beschädigung (siehe Abschnitt 6).
• Setzen Sie die Batterien richtig in das Gerät ein. Stellen Sie sicher, dass ein vollständiger Kontakt zwischen der Batterie und den Anschlüssen des Geräts besteht. Ändern Sie nicht die Polarität.
• Lagern Sie die Batterien oder die von ihnen betriebenen Geräte innerhalb der vom Hersteller angegebenen Umgebungstemperaturgrenzen.
• Setzen Sie die Batterien oder die von ihnen betriebenen Geräte nicht direktem Sonnenlicht oder Wärmequellen aus (Heizungen, offene Flammen usw.).
• Führen Sie den Ladevorgang der Batterie nicht außerhalb des vom Hersteller empfohlenen Temperaturbereichs durch.
• Wenn die Batterie während des Gebrauchs oder Ladens ungewöhnlich warm wird, lassen Sie sie abkühlen, bevor Sie sie erneut verwenden oder aufladen.
• Wenn die Batterie anschwillt, stark erhitzt oder zu riechen beginnt, verwenden Sie sie nicht und bringen Sie die Batterie zum Kundendienst oder zu einer Sammelstelle.
• Zerlegen Sie die Batterien nicht und trennen Sie nicht die Zellen, aus denen sie bestehen.
• Beachten Sie, dass wenn Sie Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien in einem Flugzeug transportieren, diese Geräte nicht aufgegeben werden dürfen und als Handgepäck in der Kabine mitgeführt werden müssen.

6 Sicherheitshinweise zum Brandschutz in Wohnräumen
In diesem Abschnitt werden einige Tipps gegeben, um persönliche und materielle Schäden im Falle eines Brandes durch Lithium-Ionen-Batterien im Haus zu minimieren:

• Laden Sie die Geräte nicht auf leicht entflammbaren Elementen wie Kissen oder Sofas auf. Bestimmte Altersgruppen oder Personen mit kognitiven Einschränkungen sind sich möglicherweise nicht der potenziellen Gefahr bewusst, die durch dieses Verhalten entstehen kann. Laden Sie das Gerät nach Möglichkeit auf einer hitzebeständigen Unterlage in einem gut belüfteten Raum auf.
• Halten Sie den unmittelbaren Bereich beim Laden einer Batterie frei von brennbaren Gegenständen; stellen Sie keine Roller oder E-Bikes (Pedelecs) in der Nähe von brennbaren Gebäudeisolierungen während des Ladens ab.
• Lassen Sie Geräte mit Lithium-Ionen-Batterien nach Möglichkeit nicht unbeaufsichtigt, während sie geladen werden, und vermeiden Sie das Laden über Nacht. Es ist jedoch immer ratsam, autonome Rauchmelder an strategischen Stellen im Haus zu installieren, um Rauch von einem Brand frühzeitig zu erkennen und die Bewohner zu alarmieren.
• Geräte mit mittelgroßen Lithium-Ionen-Batterien, wie Roller oder E-Bikes (Pedelecs), sollten nicht auf Fluchtwegen (zum Beispiel neben der Ausgangstür des Hauses oder am Fuß der Treppe) oder an Orten, an denen eine schnelle Ausbreitung von Feuer oder Rauch wahrscheinlich ist, geladen werden, da dies im Brandfall eine sichere Evakuierung verhindern kann.
• Wenn eine kleine Lithium-Ionen-Batterie einen Überhitzungsprozess begonnen hat, aber noch sicher gehandhabt werden kann, legen Sie sie in einen Behälter mit Wasser, das sie vollständig bedeckt. Je schneller die brennende Zelle nach der Zündung ins Wasser getaucht wird, desto weniger Emissionen entstehen. Es gibt auch speziell dafür entwickelte Brandschutzbeutel auf dem Markt. Wenn das Handling unsicher ist, verwenden Sie einen Metalldeckel, um das Gerät abzudecken. Wenn Sie Geräte mit mittelgroßen Batterien, wie Roller oder E-Bikes (Pedelecs), zu Hause laden, sollten Sie eine Löschdecke bereithalten. Wenn eines dieser Geräte Anzeichen eines beginnenden thermischen Durchgehens zeigt und es sicher ist, sich dem Gerät zu nähern, bedecken Sie es mit der Decke, halten Sie brennbare Materialien oder Möbel vom Gerät fern (idealerweise mindestens 2 m), schließen Sie die Zimmertür und verständigen Sie die Feuerwehr.
• Brände durch Lithium-Ionen-Batterien sind in Bezug auf das Löschen herausfordernd, weil das Batteriegehäuse verhindert, dass die Kühl- und Löschwirkung des Feuerlöschers zwischen die Zellen gelangt. Die Batterie kann auch nach längerer Zeit erneut in Brand geraten, insbesondere bei größeren Batteriepackungen. Das Löschen sichtbarer Flammen stoppt die Reaktion in der Batterie nicht. Die Reaktion muss durch Kühlung gestoppt werden, die verhindert, dass die Wärme von einer Zelle zur anderen in der Batterie übertragen wird.
• Es ist in jedem Fall ratsam, einen Trockenchemie- oder wasserbasierten Handfeuerlöscher bereitzuhalten, um ein Feuer zu löschen, insbesondere Sekundärbrände, die durch das ursprüngliche Feuer der Lithium-Ionen-Batterie entstehen können. Beim Versuch, den Brand zu bekämpfen, sollte immer sichergestellt werden, dass die minimalen Sicherheitsbedingungen erfüllt sind; andernfalls ist es besser, die Feuerwehr zu rufen.

7 Beschädigte Batterien
Die Verwendung einer defekten Batterie kann einen thermischen Durchgehen verursachen und später zu einem Brand führen. Deshalb ist es wichtig zu wissen, wie man eine defekte Batterie erkennt und was in diesem Fall zu tun ist.

Folgende Punkte sind Anzeichen für eine defekte Batterie:

• Eine Größe, die größer als normal ist, mit einem ausgedehnten Gehäuse.
• Ein mechanischer Schaden (Einstich- oder Verformungsspuren, verursacht durch Stöße oder Stürze).
• Eine übermäßige Temperaturabgabe während des Lade- oder Betriebsvorgangs.
• Die Batterie gibt Rauch ab oder es treten Leckagen auf.

Das Vorgehen in diesen Fällen ist wie folgt:

• Schalten Sie das Gerät aus, das von der Batterie gespeist wird.
• Wenn möglich, entfernen Sie die Batterie aus dem Gerät, verwenden Sie Handschuhe und Schutzbrille, falls verfügbar. Bei auslaufendem Elektrolyt sollte direkter Hautkontakt vermieden werden. Versuchen Sie nicht, die Batterie zu entfernen, wenn der thermische Durchgehen begonnen hat und Sie nicht über die geeignete Ausrüstung verfügen.
• Legen Sie die Batterien (oder das Gerät, falls die Batterie nicht entnommen werden kann) auf ein nicht brennbares und nicht leitfähiges Element (z.B. ein Glas- oder Porzellantablett) und halten Sie es von brennbaren Materialien fern.
• Wenn ein Feuer ausbricht, ist es schwierig, dieses zu löschen, da im Verlauf des Prozesses Sauerstoff sowie entzündliche Gase freigesetzt werden. Die endgültige Löscharbeit wird wahrscheinlich erst erreicht, wenn die brennende Batteriezelle ausgebrannt ist. Trotzdem kann die Verwendung eines wasserbasierten Feuerlöschers oder das Auftragen von Erde oder Sand dazu beitragen, die freigesetzte Energie zu reduzieren oder zu kontrollieren. Wenn möglich, tauchen Sie die Batterie in einen mit Wasser gefüllten Behälter.

Falls die Batterie Elektrolyt verliert und es zu einem unbeabsichtigten Kontakt damit kommt, sollten die folgenden Ratschläge befolgt werden:

• Bei Kontakt mit der Haut, waschen Sie die betroffene Stelle mit Wasser. Entfernen Sie kontaminierte Kleidung.
• Bei Kontakt mit den Augen, sofort mit Wasser spülen und weiterhin für etwa 15 Minuten spülen. Stellen Sie sicher, dass auch unter den Augenlidern gründlich gespült wird.
• Wenn Elektrolyt eingeatmet wurde, bringen Sie die betroffene Person an einen Ort, an dem sie frische Luft atmen kann, und überwachen Sie ihre Atmung. Wenn die Atmung aussetzt, führen Sie eine Wiederbelebung durch.
• Bei übermäßiger Exposition sollte fachärztliche Hilfe in Anspruch genommen werden.

8 Entsorgung von Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Batterien gelten als gefährlicher Abfall, der ordnungsgemäß gesammelt, gelagert und recycelt werden muss.

Die verbrauchten Batterien sollten unversehrt in speziellen Behältern für diese Art von Abfall entsorgt werden. Normalerweise stellen lokale Behörden solche Sammelstellen zur Verfügung.

Batterien dürfen niemals zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden.

Lithium-Batterien sollten nicht mit anderen Batterietypen, wie Alkali, Cadmium oder anderen wiederaufladbaren Batterien, gemischt werden.

Verbrauchte Batterien sollten umgehend zum Recycling gebracht und nicht zu Hause gelagert werden.