Alles über Risiken und Gefahren von Lithium Ionen Akku Bränden

Die Vorteile von Lithium-Batterien (z.B. Lithium-Ionen Akkus) im Vergleich zu konventionellen chemischen Energiespeichern (z.B. Nickel-Metallhydrid Akkus) ergeben sich aus den elektrochemischen Leistungsparametern. Die hohe Zellenspannung bei Lithium-Batterien von typischerweise 3,6 V erlaubt die Konstruktion von Batterien mit nur einer einzelnen Zelle. Moderne Mobiltelefone arbeiten heute ausschließlich mit einem Lithium-Akku und sind nur noch mit einer Einzelzelle bestückt. Eine Batterie auf Basis von herkömmlichen Nickelelektroden würde für die gleiche Anwendung drei in Serie geschaltete 1,2 V Zellen benötigen.

Lithium-Sekundärbatterien kennen im Gegensatz zu konventionellen Akkus keinen Memory-Effekt (Kapazitätsverlust durch zyklisches Laden/Entladen) und erreichen einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 95% (Verhältnis zwischen Entlademenge zu Lademenge).Der weite Temperaturbereich, in dem Lithium-Batterien eingesetzt werden können (- 40 °C bis +70 °C), insbesondere das gutes Tieftemperaturverhalten und die geringe Selbstentladung (über 10 Jahre Lagerfähigkeit) machen Lithium-Batterien für zahlreiche Anwendungsgebiete unersetzlich. Unter den zahlreichen Batteriesystemen besitzen insbesondere Lithium-Batterien anwendungstechnische Vorteile, die die Einsatzmöglichkeiten von Batterien revolutioniert haben. 

Grundsätzlich unterscheidet man bei Lithium-Batterieanwendungen in Bezug auf die Leistung drei Kategorien:

Mobile elektronische Kleinanwendungen:

Die ersten Lithium-Batterien, die in nennenswerten Stückzahlen produziert wurden, kamen vornehmlich in mobilen elektronischen Kleinanwendungen zum Einsatz. Insbesondere der Boom im Segment Mobiltelefone, Digitalkameras und Notebooks hat zur massenhaften Verbreitung von Lithium-Batterien geführt. Andererseits wäre für mobile elektrische Anwendungen sicherlich nicht ein derartiger Markterfolg zu erzielen gewesen, wenn nicht erst der Einsatz von Lithium-Batterien lange Nutzungszeiten bei geringem Gewicht möglich gemacht hätten. In Verarbeitungsbetrieben oder Produktionsanlagen werden moderne Lithium-Batterien für unter-schiedlichste Einsatzgebiete verwendet. Insbesondere bei tragbaren Werkzeugmaschinen (Akku-Schrauber, Akku-Bohrmaschinen, etc.) aber auch für mobile Beleuchtungstechnik, für mobile Steuerungsgeräte sowie für mobile Kommunikationstechnik ist der Einsatz von Lithium-Batterien unverzichtbar.

Batterieanwendungen im mittleren Leistungsspektrum:

Insbesondere für den Einsatz im Segment Kleinfahrzeuge (Light Electric Vehicles, LEV) als Antrieb für Fahrräder, Roller, Rasenmäher, Gabelstapler, etc. gewinnen Lithium-Batterien zunehmend an Bedeutung.

Hochenergiebatterien für Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb:

Eine nahezu explosionsartige Entwicklung erfährt die Lithium-Batterie Industrie im Bereich Automotive (z.B. Hybridantriebe, Hoch-Volt-Elektroantriebe, etc.). Der im Jahr 2009 von der Deutschen Bundesregierung verabschiedete “Nationale Entwicklungsplan Elektromobilität” strebt eine substanzielle Steigerung des Anteils von Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb an. Demnach soll Deutschland weltweit die Nummer eins im Bereich Elektromobilität werden und bis zum Jahr 2020 sollen eine Million Elektroautos auf deutschen Straßen fahren.

Moderne Lithium-Akkus für Kraftfahrzeuge erreichen eine Energiedichte von über 120 Wh/kg (zum Vergleich: konventionelle Autobatterien auf der Basis von Bleiakkumulatoren erreichen ca. 30 Wh/kg). Immer größer werdende Anwendungen benötigen naturgemäß immer größere Speichersysteme, die einerseits einen wesentlich höheren Energieinhalt haben und andererseits auch in der Lage sind, große Leistungen abzugeben. Lithium-Ionen Batterien haben sich in den letzten Jahren im Bereich mobiler Systeme mit einem Energieinhalt von wenigen 100 mWh bis zu etwa 100 Wh sehr erfolgreich durchgesetzt. Um bei leistungsstarken Hochenergie-Batteriesystemen (z.B. im Bereich Kraftfahrzeuge) die hohen Spannungen von mehreren Hundert Volt zu erreichen, werden die Speichersysteme üblicherweise durch Serien-/Parallelschaltungen von Standard-Einzelzellen aufgebaut.

Sicherheitstechnische Betrachtung: Risiken und Gefahren

Aus der Verwendung bestimmter chemischer Verbindungen (z.T. reaktiv, toxisch, feuergefährlich) im Zusammenhang mit hohen Energiedichten (Ladungsfreisetzung verursacht z.T. hohe Temperaturen) und aus dem für Sekundärbatterien notwendigen Einsatz elektronischer Schaltelektronik (mögliche technische Defekte) ergeben sich bei Lithium-Batterien spezifische Gefahrenpotenziale, die eine besondere Sicherheitsbetrachtung erfordern.

Aufgrund spektakulärer Ereignisse wurde die mögliche Problematik von Lithium-Ionen-Batterien in der Öffentlichkeit bekannt. Das Versagen von hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien aber auch von Lithium-Metall-Batterien z.B. in Flugzeugen, Fahrzeugen, Notebooks, Smartphones und anderen elektrischen Geräten führte in den letzten Jahren zu großen Rückrufaktionen.

  • Im Jahr 2013 kam es zum dritten Brand des Elektroautos Tesla Model S.
  • Am 3. September 2010 stürzte der UPS-Airlines-Flug 6, eine Boeing 747-400 auf dem Weg vom Dubai International Airport zum Flughafen Köln-Bonn in der Nähe des Flughafens Dubai ab, wobei zwei Besatzungsmitglieder ums Leben kamen. Als Absturzursache wurde ein Feuer in dem Bereich des Laderaums festgestellt, in dem sich Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Metall-Batterien befanden.
  • Nach dem Flug einer Boeing 787 (Dreamliner) am 7. Januar 2013 von Narita/ Japan nach Boston/ USA entstand im Zielflughafen ein Brand aufgrund einer thermisch durchgehenden Lithium-Ionen-Batterie (Thermal Runaway).
  • Am 12. Juli 2013 kam es auf dem London-Heathrow Airport ebenfalls in einer Boeing B787 zum Brand einer nichtwiederaufladbaren Lithium-Metall-Batterie in einem ELT (emergency locator transmitter).

Eine Batterie zeichnet sich dadurch aus, dass sie die chemisch gespeicherte Energie beim Entladevorgang in Form von elektrischer Energie abgibt. Im Fall eines Thermal Runaways wird die gesamte Energie allerdings nicht als elektrische Energie sondern in Form von thermischer Energie abgegeben. Hierbei ist zu beachten, dass eine Lithium-Ionen-Batterie im Falle des Versagens das ca. 7 bis 11 fache der elektrisch gespeicherten Energie in Form von thermischer Energie freisetzen kann. Hinzu kommt, dass einige der eingesetzten Kathodenmaterialien bei hohen Temperaturen spontan zerfallen. Da diese Reaktion exotherm ist und zudem Sauerstoff abgibt, der seinerseits zur Beschleunigung weiterer kritischer Reaktionsabläufe beiträgt, kann es zu einem sehr schnellen und unkontrollierbaren “thermischen Durchgehen” der Zelle kommen.

Temperaturverhalten

Die optimale Betriebstemperatur von Lithium-Batterien liegt im Bereich 20°C bis 40° Grad Celsius. In diesem Temperaturbereich besitzt die Lithium-Ionen-Batterie die höchste Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig noch tolerierbarem Alterungsverhalten.
Bei Minustemperaturen treten spezielle Alterungsmechanismen auf, die zu einer irreversiblen Schädigung der Zellen führen können (z.B. Abscheiden von reinem Lithium an der Anode, sog. „Lithium-Plating“). Dies führt im schlimmsten Fall zu einem inneren Kurzschluss

Die meisten Lithium-Ionen-Zellen sind nicht für Betriebs- und Lagertemperaturen über 60° Grad Celsius ausgelegt. Mit steigender Temperatur reagieren Lithium-Batterien unter Druckaufbau in der Zelle, Austritt brennbarer Gase, Zellenbrand, bis hin zum sich selbst verstärkenden explosionsartigen Abbrennen der Batterie (Thermal Runaway). Insofern ist es gefährlich, ein Handy oder Laptop im Sommer auf der heißen Ablage im Auto vollgeladen in der Sonne liegen zu lassen, da hier Temperaturen bis 80°C auftreten können. Noch problematischer ist die sofortige Verwendung bei diesen hohen Temperaturen und führt zu noch weiterer Erwärmung und Beschädigung bzw. Versagen.

  • 70°Grad Celsius: Selbsterhitzung der Graphit-Anode und des Elektrolyten. Tiefsiedende Bestandteile im Elektrolyten beginnen ab 80°C zu verdampfen und führen zum Druckaufbau, der die Zelle bersten lassen kann.
  • 130°C: Separator aus PE, PP oder PE/PP verschließt die Poren (Shut-down). Separator schmilzt, zusätzliche Erwärmung aufgrund von Kurzschluss. Autokatalytischer Anstieg der Temperatur.
  • 250°C: Kathodenmaterial reagiert exotherm mit dem Elektrolyten (Zersetzung). Druckanstieg in der Zelle durch Verdampfung und Zersetzungsgase. Aufblähen des Zellengehäuses und evtl. Öffnung (austretende Zersetzungsgase sind zündfähig). Einige Kathodenmaterialien zerfallen bereits bei Temperaturen unter 200°C spontan und geben in einer exothermen Reaktion Wärme und Sauerstoff ab, wodurch es zum Thermal Runaway kommen kann.
  • 600°C: Kathodenmaterialien zersetzen sich und ändern ihre Kristallstruktur. Freisetzung von Sauerstoff. Zellenbrand innerhalb kurzer Zeit. Thermal Runaway.
  • 660°C: Schmelzen des Aluminium Stromableiters (Kathode). Freisetzung von Graphit mit möglicher Gefährdung durch Staubexplosion. Weiterer Anstieg der Temperaturen, bei denen die Aluminiumfolie der positiven Elektrode zu brennen beginnt (Metallbrand).

Thermal Runaway 

Das thermische Durchgehen ist eine sich selbst verstärkende, exotherme chemische Reaktion, wobei sehr schnell sehr hohe Temperaturen erreicht werden können, die selbst chemisch eingelagertes Lithium zur Zündung bringen kann (Metallbrand).

Inhaltsstoffe und Zersetzungsprodukte im Brandfall

Lithiumzellen sind in der Regel gasdicht verschlossen, so dass im regulären Normalbetrieb keine Inhaltstoffe austreten können. Wird allerdings das Gehäuse mechanisch beschädigt oder kommt es infolge eines Brandereignisses zu einer thermischen Belastung, können unterschiedliche ätzende, giftige und kanzerogene Stoffe aber auch brennbare Inhaltsstoffe (staubförmig, gasförmig oder in flüssiger Form) austreten.

Lithium-Metall: Lithium-Primärbatterien besitzen ein Gefahrenpotenzial, das sich grundsätzlich aus der Verwendung von Lithium-Metall ableitet. Lithium ist hochreaktiv und neigt zu heftigen autokatalytischen Reaktionen. Weiterhin besitzt Lithium eine vergleichsweise niedrige Schmelztemperatur (181 °C), wobei es durch geschmolzenes Lithium zu unkontrollierbaren Zuständen im Batteriekörper kommen kann. Übersteigt beispielsweise infolge eines technischen Defekts die lokale Temperatur den Schmelzpunkt des Lithiums kann es zu explosionsartigen Reaktionen des Metalls mit dem Elektrolyten kommen. Beim sogenannten „Thermal Runaway“ kann es sehr schnell zu sehr hohen Temperaturen kommen, wobei aufgrund der enormen Energiefreisetzung selbst chemisch eingelagertes Lithium zur Zündung gebracht werden kann (Metallbrand).

Wasserstoff (Knallgas): Eine weitere Gefahr von Lithium-Metall ergibt sich insbesondere bei Kontakt mit Wasser (z.B. Löschwasser). Hierbei wird das Wassermolekül (H2O) durch die hohe Reaktivität des Alkalimetalls augenblicklich in seine Bestandteile zerlegt, wodurch es zur Bildung von Wasserstoffgas (H2) kommen kann. Da Wasserstoff-/Luft-Gemische in einem sehr weiten Mischungsverhältnis zündfähig sind (4 bis 75 Vol.% H2 in Luft) und sie zudem eine nur sehr geringe Zündenergie benötigen, reichen bereits geringe elektrostatische Entladungen oder elektrische Zündfunken (z.B. Lichtschalter) als Zündquelle aus, um eine sogenannte Knallgasexplosion auszulösen.

Auch wenn Lithium bei Sekundärbatterien nicht als reines Metall, sondern als chemische Verbindung (im geladenen Zustand z.B. Lithium-Cobalt-Dioxid, LiCoO2, bzw. im entladenen Zustand als Lithium-Intercalationsverbindung) vorliegt, kann es auch bei diesen Lithium-Modifikationen bei Kontakt mit Wasser zur Bildung von Wasserstoffgas kommen.

Eine weitere Gefahr ergibt sich in Zusammenhang mit Wasser aus dem Elektrodenpotenzial, bzw. der Gleichspannung zwischen den beiden Batteriepolen. Auch wenn bei einer intakten und vollständig gekapselten Batterie die Wahrscheinlichkeit, dass der innere Elektrodenkörper (Lithium) mit Wasser in Kontakt kommt, sehr gering ist, kann allein die Elektrodenspannung zwischen den beiden Batteriepolen ausreichen, um Wasser in seine Bestandteile zu zersetzen (Hoffmann’sche Zersetzungsreaktion).

Jeder erinnert sich an den Chemieunterricht in der Schule, wo in einem einfachen Laborversuch handelsübliche Batterien in einem Behälter mit Salzwasser untergetaucht und anschließend die Bildung von Wasserstoffgas durch die sog. Knallgasprobe nachgewiesen wurde. Überträgt man die Erkenntnisse aus dem Laborversuch in die Praxis, besteht im Fall, dass geladene Batterien vollständig mit Löschwasser überdeckt oder mit dem abfließenden Löschwasser in Auffangbecken gespült werden, die Gefahr, dass es wegen der Gleichspannung zwischen den Batteriepolen zur Bildung von Wasserstoffgas und dadurch zu einer Knallgasexplosion kommen kann.

Graphit: Beim thermischen Durchgehen großer Batterietypen kommt es zum Teil zu einer beträchtlichen Graphit-Freisetzung. Zum einen besteht hier insbesondere in Räumen die Möglichkeit einer Gefährdung durch eine Graphit-Staub-Explosion, zum anderen eine Kontamination des Raumes mit leitfähigen Graphit-Staub und Beschädigung von elektrischen Geräten aufgrund von Kurzschlüssen.

Schwermetalle: Dadurch, dass in Sekundärbatterien häufig Oxide aus der Reihe der sog. Übergangsmetalle zum Einsatz kommen (Cobalt, Nickel, Mangan), sind im Brandfall staubförmige Reaktionsprodukte oder Rückstände dieser z.T. gesundheitsschädlichen (Cobalt) oder giftigen (Nickel) Stoffe in der Asche und im Brandrauch zu erwarten. Bei Cobalt-Verbindungen kann bereits eine Exposition von nur 25 Milligramm beim Menschen zu Haut-, Lungen-, Magenerkrankungen, Leber-, Herz-, Nierenschäden und Krebsgeschwüren führen. Das Einatmen von Nickel-Verbindungen ist mit einem erhöhten Krebsrisiko für Karzinome der Lunge und der oberen Luftwege verbunden.

Brennbare Komponenten: Die in Lithium-Batterien eingesetzten Materialien bzw. einzelne Batteriekomponenten sind zum Teil brennbar und leicht entzündbar. Allein im Hinblick auf die brandschutztechnischen Parameter, wie Flammpunkt, Zündtemperatur, Explosionsgrenzen und Heizwerte weisen die eingesetzten Elektrolytmaterialien auf eine hohe Brandlast hin.

Die Elektrolytflüssigkeit besteht zumeist aus einer Mischung von brennbaren organischen Lösungsmitteln und einem Leitsalz. Die in Lithium- Batterien verwendeten organischen Lösungsmittel sind in der Regel leicht entzündlich und können mit Luft explosive Gemische bilden.

Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6): Bedingt durch die Verwendung von fluorhaltigen und/oder phosphorhaltigen Verbindungen (z.B. das überwiegend eingesetzte Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) können im Brandfall unspezifisch gasförmige Stoffe freigesetzt werden, die als giftige Fracht im Brandrauch ein erhebliches Risiko für Personen und Umwelt darstellen.

Da diese Verbindung stark hygroskopisch ist, kommt es bereits bei Spuren von Wasser (Eintritt von Luftfeuchte bei geborstenem Zellenkörper) zu einer chemischen Reaktion zu Fluorwasserstoff (HF) und Phosphorsäure (H3PO4).

Phosphorsäure (H3PO4) ist stark hygroskopisch und besitzt reizende bis ätzende Wirkung auf Augen, Atemwege und Haut, bei oraler Aufnahme kommt es zu Schädigungen im Magen-Darm-Trakt.

Fluorwasserstoff / Flusssäure (HF) ist ein farbloses Gas (stechender Geruch, sehr giftig, ätzend, stark hygroskopisch) und führt bereits bei geringsten Konzentrationen zu gesundheitlichen Beschwerden (1,4 ppm), bzw. zu schweren oder bleibenden gesundheitlichen Schäden (IDLH-Wert: 30 ppm). Durch Reaktion mit Wasser (z.B. Löschwasser) bildet sich Flusssäure (ätzende und Reizwirkung auf Schleimhäute und Haut, Gefahr schwerer Augen- und Lungenschädigung, Störungen von Stoffwechsel, Herz-Kreislauf- und Nervensystem, Schädigung der Knochen). Flusssäure ist ein starkes Kontaktgift, dessen Gefährlichkeit besonders kritisch einzustufen ist, weil es sofort von der Haut resorbiert wird. Dadurch sind Verätzungen tieferer Gewebeschichten und sogar der Knochen möglich, ohne dass die Haut äußerlich sichtbar verletzt ist.

Bei Bränden von Lithium-Ionen-Batterien kann es bereits bei gängigen Größen (z.B. Laptop) zu einer kritischen Gefährdung durch HF kommen. Bereits 100 g Akkumasse können ca. 5000 m3 Raumluft derart belasten, dass behördliche Grenzwerte überschritten sind (ein handelsüblicher Laptop-Akku wiegt üblicherweise über 300 g). Als Richtwert kann man die Fluorwasserstoff-Freisetzung mit folgendem theoretischen Daumenwert abschätzen: Ca. 150 l gasförmiger Fluorwasserstoff pro kW/h Batterieenergie. Allerdings kann nur eine HF-Messung vor Ort die Gefahrenlage konkret klären.

Nach Bränden, bei denen Lithium-Batterien involviert sind, finden sich hohe HF-Konzentrationen im Brandrauch und folglich auch starke HF-Kontaminationen auf Gebäudeteilen und Anlangen (auch wenn diese nicht direkt vom Brandgeschehen betroffen sind).

Weitere giftige Verbindungen: Aus den phosphorhaltigen Bestandteilen können bei ungünstigen Bedingungen Phosphorwasserstoff Verbindungen (z.B. Phosphin) entstehen, die als giftig und wassergefährdend eingestuft sind. Phosphin kann inhalativ aufgenommen werden und reizt die Atemwege stark. Als schlimmste inhalatorische Folge kann ein toxisches Lungenödem auftreten.

Besondere Personengefährdung trotz Brandmelder: Bei versagenden lithiumhaltigen Batterien sowohl vor dem Brandstadium als auch bei Brandentstehung werden giftige Stoffe freigesetzt, die schwerer als Luft sind (z.B. Elektrolyt- und Lösemitteldämpfe, Chlorwasserstoff aus PVC-Leitungen, Kohlendioxid) oder Brandrauch- und Zersetzungskomponenten. Die schweren Bestandteile können sich im Bodenbereich sammeln und werden von optischen Rauchmeldern an der Decke nicht detektiert. Hieraus ergibt sich eine besondere Gefährdung von schlafenden Personen.

Das Aufladen von z.B. Smartphones oder Laptops im Schafzimmer (z.B. auch im Hotel) über Nacht ist daher aus Sicherheitsgründen nicht zu empfehlen.

Elektrische Gefahren

Elektrische Spannung: Zwischen den Polen einer Batterie liegt eine elektrische Gleichspannung an. Neben den üblichen Brandgefahren, welche typischerweise von elektrischen Geräten und elektronischen Bauteilen ausgehen, können Batterien mit hohen Spannungen vor allem für Personen eine erhebliche Gefahr darstellen. Die für Elektrofahrzeuge erforderlichen hohen Energie- und Leistungsdaten werden durch eine serielle und parallele Verschaltung von einzelnen Batteriezellen erzielt. Damit haben die Batteriesysteme je nach Anwendung Nennspannungen von bis zu 800 Volt und können beim Berühren zu einem elektrischen Schlag führen. (Hinweis: Bereits Gleichspannungen von 120 V sind lebensgefährlich).

Bei einem verunglückten Elektrofahrzeug ist für die Rettungskräfte häufig unklar wo die Elektrik ausgeschaltet wird oder wo welche Kabel verlaufen. Da Hochvolt-Energiespeicher wie kleine Kraftwerke zu verstehen sind und sich nicht einfach durch einen Notausschalter abstellen lassen, stellt die hohe Spannung für Wartungspersonal und insbesondere für Rettungskräfte eine besondere Gefahr dar.

Elektrischer Strom: Für die Anwendung in Elektrofahrzeugen müssen Batteriesysteme kurzzeitig hohe Ströme in der Größenordnung von mehreren Hundert Ampere liefern. Die Gefahr durch den elektrischen Strom besteht in der Bildung von Lichtbögen (z.B. bei Leitungsunterbrechung) und in der Überlastung, bzw. in Kurzschlüssen. Hierbei kann es bei einem Kurzschluss im HVSystem bei heutigen Lithium-Ionen-Batterien innerhalb weniger Millisekunden Ströme von 6.000 A und mehr aufbauen (Hinweis: Bereits Stromstärken von 50 mA sind lebensgefährlich).

Derartige Stromstärken führen augenblicklich zu einer lokalen Temperaturerhöhung, wodurch sich eine Brandgefahr ergibt. Die hohen elektrischen Leistungen verursachen Überhitzungen, die zu einem unkontrollierbaren sog. “thermischen Durchgehen” führen können. Besonders kritisch ist, dass der Übergangswiderstand durch die Erwärmung weiter zunimmt. Das wiederum führt zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung, wodurch wiederum der Übergangswiderstand steigt, und so weiter. In Folge dieses sich selbst verstärkenden Dominoeffekts kann es infolge der hohen Temperaturen zum Schmelzen einzelner Batteriekomponenten (z.B. Separatoren, Elektroden) zu Kurzschlüssen und zum Brand kommen.

Ursachen für Batteriebrände

Fehlerhafte Handhabung: Gefährlichen Situationen resultieren insbesondere aus fehlerhafter Handhabung und unsachgemäßem Umgang. Als Folge von mechanischen Beschädigungen (z.B. durch Schlag, Sturz, Quetschen, etc.), elektrischen Fehlern (z.B. durch Kurzschluss, Tiefentladung, Überladung, Umpolung, etc.) oder thermischen Einwirkungen (z.B. durch innere Überhitzen, sekundäre Wärmestrahlung von außen, etc.) kann es zum Austreten des Elektrolyten, zu Überdruckreaktionen mit Abblasen gasförmiger Reaktionsprodukte, zu Feuererscheinungen oder zu einer Explosion kommen.

Bei einer Überladung eines Lithium-Akkus kann es beispielsweise zu einer Kathodenzersetzung unter Freisetzung von starken Oxidationsmitteln mit einer daraus folgenden stark exothermen Reaktion des Elektrolyten kommen. Hierdurch kann innerhalb der Lithium-Zelle eine sich selbstverstärkende Reaktion verursacht werden (sogenannter “Thermal Runaway”), wobei sich beim “Durchgehen der Batterie” heiße Gasen entwickeln, die zum Öffnen der Zelle und zum Herausschleudern von gegebenenfalls brennenden Batteriekomponenten führen. 

Mechanische Beschädigung: Bei mechanischen Beschädigungen von Batterien besteht die Gefahr, dass es zu inneren Kurzschlüssen und damit zu einem Brand kommt. Eine Beschädigung des Gehäuses kann durch Fertigungsfehler (z.B. unsachgemäßer Zusammenbau einzelner Batteriekomponenten), durch mechanische Belastung (z.B. Schlag, Sturz, Quetschen, etc.) oder durch Überdruck in der Zelle erfolgen. Überdruck entsteht in der Regel durch Überhitzung der Zelle, was die Folge einer Überlastung, eines Kurzschlusses oder einer Überladung sein kann.

Sekundäre thermische Belastung: Bei thermischer Belastung von außen (z.B. durch Wärmestrahlung im Brandfall) kann es bei Lithium-Batterien zum Schmelzen einzelner Batteriekomponenten (z.B. Separatoren) und damit zu einem Kurzschluss kommen, was leicht zu einem [Brand]] führen kann.

Äußerer Kurzschluss: Hierzu kann es kommen, wenn es (z.B. durch einen metallischen Gegenstand) zu einem beidseitigen Polkontakt kommt.

Innerer Kurzschluss durch Zellfehler oder Crash: Eine der Hauptursachen für interne Kurzschlüsse sind Fertigungsfehler bei der Herstellung von Lithium-Zellen. Wenn beispielsweise während des Herstellungsprozesses metallische Partikel oder sonstige leitfähige Verunreinigungen zwischen Separator und Batterieelektrode eingeschlossen werden, kann es im späteren Betrieb zu einer lokalen Beschädigung der Separatorfolie und damit zu einem internen Kurzschluss kommen. Durch den sog. „Laufmascheneffekt“ können sich zunächst mikroskopisch kleine Separatorschäden im Laufe von Tagen oder Wochen zu weitläufigen Rissen im Folienmaterial ausweiten, wodurch sich die zunächst unbedeutende (weil lokal begrenzte) kurzschlussbedingte Temperaturerhöhung dann quasi exponentiell zu einem Durchgehen der Zelle entwickeln kann. Insofern bleiben innere Kurzschlüsse im praktischen Alltagsgebrauch zumeist erst unbemerkt und führen erst nach längerem Gebrauch zu plötzlichen Brandereignissen.

Überladung: Eine Zelle oder Batterie wird mit höherem Strom geladen als vom Hersteller spezifiziert. Hierbei kann es zu einer Verdampfung der organischen Elektrolytflüssigkeit und auch zur Schädigung der kristallinen Schichtstruktur kommen, was in Verbindung mit einer stark exothermen Reaktion zum Freisetzen von elementarem Sauerstoff führt. Außerdem kann es zu einer Ablagerung von metallischem Lithium an der Anode kommen. Das Kathodenmaterial wird zum oxidierenden Element und verliert seine Stabilität. Bei diesem exothermen Vorgang kann es aufgrund einer starken lokalen Temperaturerhöhung zu einem Brand und unter bestimmten Umständen auch zu einer explosionsartigen Entlastungsreaktion kommen.

Tiefentladung der Zelle: Bei Tiefentladung wird die Entladeschlussspannung unterschritten, wobei sich irreversibel die Elektrolytflüssigkeit zersetzt. Wird solch eine tiefentladene Lithium-Ionen-Zelle geladen, kann die zugeführte Energiemenge durch das Fehlen von Elektrolytflüssigkeit nicht mehr in chemische Energie gespeichert werden und die Ladeenergie wird in Wärme umgesetzt. Defekt im Kühlkreislauf (bei Großbatterien): Erfolgt (wie bei Großbatterien und Fahrzeugbatterien üblich) die interne Kühlung der Batterie mit einem Kühlmittel auf der Basis eines Glykol/Wasser-Gemisches besteht bei einem Defekt des Kühlkreislaufes und Leckage von Kühlmittel die Gefahr, dass aufgrund der Kapillarwirkung das Kühlmittel zwischen den Zellen aufsteigt und auch noch nach mehreren Tagen zu internen Kurzschlüssen und letztendlich zum thermischen Durchgehen der Batterie führen kann.

Gefälschte Lithium-Ionen-Batterien und Ladegeräte: Einige Unternehmen (insbesondere aus dem Segment Unterhaltungselektronik) führen auf ihren Internet-Seiten Warnhinweise zu gefälschten Lithium-Ionen-Batterien und Ladegeräten auf. Hierbei wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Produkte nicht mit den entsprechen Sicherheitselementen ausgerüstet sind und es beim Gebrauch bzw. Laden zu verschiedenen Problemen kommen kann: Ungewöhnlich starkes Erhitzen, Bersten und Auslaufen der Batterieflüssigkeit, Explosion oder Feuer, Verletzungen des Benutzers, z. B. Verbrennungen oder Erblinden. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass für Fehlfunktionen oder Unfälle keine Haftung übernommen wird, die durch den Gebrauch von nicht originalen Lithium-Ionen-Akkus und AkkuLadegeräten (einschließlich gefälschter Produkte) entstehen.

Feuerwehreinsatzkräfte und Rettungsorganisationen

Feuerwehreinsatzkräfte müssen sich im Brandfall zum einen gegen das Brandereignis selbst und im Fall vor lithiumhaltigen Batterien gegen chemische Substanzen (C-Einsatz) schützen. Bei der Personenrettung aus und der Bergung von verunfallten Elektro- und Hybridfahrzeugen sind die Einsatzkräfte der Feuerwehr aufgrund der hohen Spannungen besonderen Gefahren ausgesetzt. Von großer Bedeutung sind daher die besonderen Anforderungen an die persönliche Schutzausrüstung der Einsatzkräfte.