Lithium-Ionen-Akku brennt: Ursachen und wie man ihn löscht

Wenn ein Lithium-Ionen-Akku brennt, verhält sich das Feuer nicht wie Holz oder Benzin. Der Akku trägt Brennstoff, Wärme und seinen eigenen Sauerstoff in einem geschlossenen Paket, das Feuer braucht also keine Luft von außen und lässt sich nicht ersticken. Es beginnt innen, in einer Zelle, die sich überhitzt, und läuft von Zelle zu Zelle, solange etwas zu brennen ist. Dieser Beitrag erklärt, wie es dazu kommt, welche Gase dabei austreten, warum Pulver und CO2 nicht helfen, was Wasser wirklich leistet und wie sich das Risiko zu Hause und in der Feuerwache senken lässt.

Wie ein Lithium-Ionen-Akku brennt: das thermische Durchgehen

Eine Lithium-Ionen-Zelle ist ein Sandwich aus Anode, Separator und Kathode, gewickelt oder gestapelt in einer Dose oder einem Beutel und getränkt mit einem brennbaren Elektrolyten. Solange sie wie vorgesehen arbeitet, setzen die chemischen Reaktionen darin wenig Wärme frei, und das Gehäuse führt sie ab. Das thermische Durchgehen (en. thermal runaway) beginnt, wenn sich dieses Verhältnis umkehrt: Die Reaktionen erzeugen mehr Wärme, als die Zelle an die Umgebung abgeben kann, die Temperatur steigt von selbst und beschleunigt genau die Reaktionen, die sie treiben.

Auslöser kann alles sein, was die Zelle örtlich erwärmt: ein innerer Kurzschluss durch Beschädigung oder einen Fertigungsfehler, Überladen, zu schnelles Laden in der Kälte, äußere Hitze oder ein Schlag. Die Schwellen hängen von der Zellchemie ab, die Reihenfolge ist aber immer dieselbe.

Bei etwa 90 °C beginnt sich die Schutzschicht auf der Anode (SEI, en. solid electrolyte interphase) zu zersetzen, was Wärme freisetzt und die Temperatur weiter treibt. Über 120 °C schmilzt der Polymerseparator, die Elektroden berühren sich, und in der Zelle entsteht ein Kurzschluss. Ab etwa 150 °C zersetzt sich die Kathode und gibt Sauerstoff ab. Von da an brennt die Zelle von innen, ohne Luft zu brauchen; in Versuchen an Standardzellen vom Typ 18650 wurden Temperaturen bis 850 °C gemessen (Golubkov u. a., 2014).

Eine durchgehende Zelle heizt ihre Nachbarn auf. Im Akku eines E-Bikes oder Werkzeugs stecken Dutzende Zellen, im Auto Tausende, und genau dieses Weiterlaufen macht den Brand lang und schwer zu löschen.

Warum der Ladezustand entscheidet

Ein voller Akku ist gefährlicher als ein leerer. Der Ladezustand (en. state of charge, SOC) entscheidet, ob eine Zelle überhaupt durchgeht. Versuche an 18650-Zellen zeigten, dass Zellen über eine bestimmte Schwelle geladen sein müssen, um überhaupt thermisch durchzugehen, und je höher der Ladezustand, desto niedriger die Temperatur, bei der es beginnt, und desto höher die Spitzentemperatur und die Gasmenge (Golubkov u. a., 2015). Ein überladener Akku ist der schlimmste Fall. Deshalb werden Akkus für Lagerung und Transport teilgeladen aufbewahrt, nicht voll.

Was aus einem brennenden Akku austritt

Der Rauch eines Lithium-Ionen-Akkus ist kein gewöhnlicher Rauch. Eine durchgehende Zelle stößt ein großes Gasvolumen aus: in Versuchen bis zu einem Viertel Mol je 18650-Zelle, also mehrere Liter aus einer fingergroßen Zelle. Hauptbestandteile sind Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Wasserstoff, ein Gemisch, das zugleich giftig und brennbar ist (Golubkov u. a., 2018). Sammelt sich dieses Gas in einem geschlossenen Raum und findet eine Zündquelle, kommt es zu einer Verpuffung oder Explosion, bevor überhaupt etwas im üblichen Sinn brennt.

Dazu kommt Fluorwasserstoff (HF). Der Elektrolyt enthält fluorierte Salze, und im Brand entsteht daraus HF: Messungen an sieben Typen handelsüblicher Akkus ergaben 20 bis 200 Milligramm HF je Wattstunde Kapazität (Larsson u. a., 2017).

Bei einem E-Bike-Akku mit 500 Wh sind das in der Größenordnung 10 bis 100 Gramm eines Gases, das Augen, Haut und Atemwege verätzt. Deshalb betritt niemand einen Raum mit einem rauchenden Akku ohne Pressluftatmer, und Menschen werden gegen den Wind hinausgeführt, nicht mit ihm.

Warum Pulver und CO2 nicht helfen

Pulver und Kohlendioxid löschen, indem sie die Kettenreaktion der Flamme unterbrechen oder den Sauerstoff der Luft verdrängen. Das thermische Durchgehen braucht weder das eine noch das andere: Der Sauerstoff kommt aus der Kathode, die Wärme aus der Zelle selbst. Pulver oder CO2 können die Flamme des austretenden Gases kurz löschen, doch die Zelle heizt weiter und zündet erneut, sobald sich die Wolke verzieht. Dasselbe gilt für Löschdecken: Sie verhindern das Übergreifen auf die Umgebung, löschen den Akku aber nicht, und in geschlossenen Räumen können sie das Gas bis zur Verpuffung zurückhalten (UL FSRI).

Darum gehören Lithium-Ionen-Akkus weder zur Brandklasse B noch zur Brandklasse D. Metallisches Lithium, das in manchen nicht wiederaufladbaren Batterien steckt, ist Klasse D und wird mit Sonderpulver bekämpft, eine Lithium-Ionen-Zelle enthält aber kein metallisches Lithium. Die Norm ISO 3941:2026 hat dafür die neue Klasse L eingeführt, die noch nicht in die europäischen Normen für Feuerlöscher übernommen ist, sodass bisher kein tragbarer Feuerlöscher dieses Zeichen trägt. Mehr dazu im Beitrag über Brandklassen.

Was wirklich wirkt: Wasser und Zeit

Wenn ein Lithium-Ionen-Akku brennt, stoppt das thermische Durchgehen nur eines: das Kühlen der Zellen unter die Temperatur, bei der sich die Reaktionen selbst erhalten, und dafür ist Wasser nach wie vor das beste Mittel: Es hat die höchste Wärmekapazität, es ist genug davon da, und es braucht keine Zusätze (UL FSRI). Brennt ein Lithium-Ionen-Akku, ist das Problem nicht das Mittel, sondern der Zugang. Der Akku sitzt in einem Gehäuse, das das Wasser nicht zu den Zellen lässt; ein Strahl auf die Außenseite des Pakets kühlt das Blech, nicht die Wärmequelle. Die Forscher sagen es unverblümt: Wasser, das die Zellen nicht erreicht, kühlt sie nicht, und deshalb zündet der Akku später wieder (UL Research Institutes).

Daraus folgen drei Taktiken, die Feuerwehren heute anwenden.

Ein kleiner Akku, der sich bewegen lässt, etwa aus einem E-Bike, einem Roller oder einem Werkzeug, wird mit Wasser niedergeschlagen und gekühlt, bis der Rauch nachlässt, und dann nach Möglichkeit isoliert: ins Freie gebracht und in einem Behälter mit Wasser untergetaucht oder in einem Metallbehälter mit inertem Füllstoff verschlossen. Das Untertauchen kühlt die Zellen, die der Strahl nicht erreichen konnte, und entlädt zugleich die Restenergie.

Ein großer Akku, der sich nicht bewegen lässt, etwa in einem Fahrzeug, wird unter Schutz der Umgebung ausbrennen gelassen. Wasser geht auf das, was zu retten ist, und auf Nachbarobjekte, auf das Paket nur, wenn es die Zellen wirklich erreicht. Ein frei brennendes Fahrzeug erlischt von selbst nach etwa anderthalb Stunden (UL FSRI).

In beiden Fällen bleibt nach dem Brand “gefangene Energie” (en. stranded energy): Zellen, die nicht verbrannt sind, sind weiterhin geladen und beschädigt, was Stromschlaggefahr und ein neues thermisches Durchgehen Stunden oder Tage später bedeutet (NTSB). Der Rat der Forscher ist einfach: Solange der Akku nicht offensichtlich vollständig ausgebrannt ist, von einer Wiederzündung ausgehen, vor der Freigabe der Einsatzstelle mit der Wärmebildkamera auf Rauch, Geräusche und steigende Temperatur achten und die Reste im Freien lagern, fern von allem Brennbaren.

Wie sich das Risiko zu Hause und in der Wache senken lässt

Die meisten Brände von Lithium-Ionen-Akkus in Wohnungen beginnen am Ladegerät. Die Regeln, die Brandschutzorganisationen empfehlen, laufen auf wenige Gewohnheiten hinaus (NFPA):

• Nur Geräte, Akkus und Ladegeräte kaufen, die ein unabhängiges Labor geprüft hat, und nur mit dem mitgelieferten Ladegerät laden. Ein billiges Ersatzladegerät ohne Spannungsüberwachung ist die häufigste Ursache für Überladen.
• Laden, während jemand wach und in der Nähe ist, und abstecken, sobald der Akku voll ist. Nicht über Nacht laden und nicht im Flur, durch den man aus der Wohnung flieht.
• Nicht auf dem Bett, dem Sofa oder neben einem Heizgerät laden und einen Akku, der von einer Fahrt bei Frost kalt ist, erst auf Raumtemperatur kommen lassen.
• Einen Akku sofort außer Betrieb nehmen, wenn er sich aufbläht, Farbe oder Form ändert, warm wird, riecht oder keine Ladung mehr annimmt. Ins Freie bringen, weg vom Gebäude, und nicht in den Hausmüll geben.
• Beginnt ein Akku zu zischen, zu rauchen oder zu knistern: den Raum verlassen, die Tür schließen und die Feuerwehr rufen. Ein Versuch mit dem Pulverlöscher bringt nichts.

In der Feuerwache gilt dasselbe für die Akkus von Werkzeugen, Funkgeräten und Wärmebildkameras: auf nicht brennbarer Unterlage laden, fern von Fahrzeugen und Gerätelagern, und beschädigte Zellen entsorgen, statt sie “für alle Fälle” aufzuheben.

Häufige Fragen

Lässt sich ein brennender Lithium-Ionen-Akku mit Wasser löschen? Ja, und Wasser ist das Beste, was wir haben, vorausgesetzt, es erreicht die Zellen. Viel Wasser und langes Kühlen, bei kleinen Akkus Untertauchen. Ein Stromschlag durch einen kleinen Akku ist keine Gefahr; für Hochvoltakkus in Fahrzeugen und Energiespeichern gelten eigene Verfahren.

Warum hat sich der Akku Stunden nach dem Löschen wieder entzündet? Weil das Löschen nicht alle Zellen gekühlt hat. Die geladenen und beschädigten Zellen haben sich weiter erwärmt, bis sie die Schwelle des Durchgehens erreichten. Deshalb werden die Reste im Freien aufbewahrt und beobachtet.

Ist es gefährlich, den Rauch eines Akkus einzuatmen? Ja. Neben Kohlenmonoxid enthält er Fluorwasserstoff, der Atemwege und Haut verätzt, und Wasserstoff, der explosiv ist. Den Raum verlassen und nur mit Pressluftatmer betreten.

Hilft eine Löschdecke? Sie schützt die Umgebung vor Flammen und Funken, löscht den Akku aber nicht, weil er keine Luft braucht. In Innenräumen kann sie brennbares Gas einschließen, deshalb nur im Freien und zusammen mit Kühlung.

Darf ich einen aufgeblähten Akku ins Wasser legen? Bei kleinen Akkus ist das Untertauchen in einem Wasserbehälter im Freien ein anerkannter Weg, sie vor der Entsorgung sicher zu entladen. Der Behälter muss groß genug sein und der Akku vollständig unter Wasser liegen.