Was ist ein "Thermal Runaway" – was passiert bei einer Lithium-Ionen-Batterie wirklich?

Wie ein Thermal Runaway (thermisches Durchgehen) entsteht, was dabei in der Batteriezelle passiert und warum es so gefährlich ist

Lithium-Ionen-Batterien speichern auf kleinem Raum große Mengen Energie. Genau diese hohe Energiedichte macht sie für Smartphones, Laptops, Werkzeuge, E-Bikes, Elektrofahrzeuge und zahlreiche weitere Anwendungen so attraktiv. Unter normalen Betriebsbedingungen sind moderne Lithium-Ionen-Batterien sicher und werden durch verschiedene konstruktive und elektronische Schutzmechanismen überwacht.

Wird eine Batteriezelle jedoch stark beschädigt, überhitzt, überladen oder kommt es innerhalb der Zelle zu einem Fehler, kann ein kritischer Prozess entstehen: der sogenannte Thermal Runaway – auf Deutsch häufig als thermisches Durchgehen bezeichnet.

Dabei handelt es sich nicht einfach um einen gewöhnlichen Batteriebrand. Ein Thermal Runaway ist ein sich selbst verstärkender thermisch-chemischer Prozess innerhalb der Batteriezelle. Die dabei freigesetzte Wärme beschleunigt weitere chemische Reaktionen, die wiederum zusätzliche Wärme erzeugen. Wird ein kritischer Punkt überschritten, kann dieser Prozess innerhalb der betroffenen Zelle kaum noch von außen gestoppt werden.

Die möglichen Folgen reichen von starker Erwärmung und Gasfreisetzung über Feuer und den Auswurf glühender Partikel bis hin zu einer schlagartigen Entzündung freigesetzter Gase oder explosionsartigen Ereignissen. In Batteriepacks kann sich der Prozess außerdem von einer Zelle auf benachbarte Zellen übertragen. Dieses Weiterlaufen wird als Thermal Propagation bezeichnet.

Was bedeutet „Thermal Runaway“?

Warum kann eine Lithium-Ionen-Zelle überhaupt thermisch durchgehen?

Um das zu verstehen, lohnt sich ein kurzer Blick in den Aufbau einer typischen Lithium-Ionen-Zelle.
Zu ihren wesentlichen Bestandteilen gehören:

• eine Anode als negative Elektrode,
• eine Kathode als positive Elektrode,
• ein dünner Separator zwischen den Elektroden,
• sowie ein Elektrolyt, durch den sich Lithium-Ionen zwischen den Elektroden bewegen können.

Der Separator erfüllt dabei eine besonders wichtige Sicherheitsfunktion: Er hält Anode und Kathode elektrisch voneinander getrennt, lässt jedoch den Transport der Lithium-Ionen zu. Solange dieser Aufbau intakt bleibt und sich die Zelle innerhalb ihrer vorgesehenen Betriebsbedingungen befindet, funktioniert dieser Prozess kontrolliert.

Problematisch wird es, wenn durch thermische, elektrische oder mechanische Belastungen Bedingungen entstehen, unter denen Bestandteile der Zelle instabil werden, sich zersetzen oder ein interner Kurzschluss entsteht.

Was kann einen Thermal Runaway auslösen?

Es gibt nicht den einen Auslöser. Unterschiedliche Fehlermechanismen können letztlich dazu führen, dass innerhalb einer Zelle zu viel Wärme entsteht.

Typische Ursachen sind beispielsweise mechanische Beschädigungen, etwa durch Quetschen, Durchdringen, starke Stöße oder Verformungen. Dabei können interne Zellschichten beschädigt werden und elektrische Kurzschlüsse entstehen.

Auch eine äußere thermische Belastung kann kritisch werden. Wird eine Zelle beispielsweise durch einen Brand oder eine bereits thermisch durchgehende Nachbarzelle stark erhitzt, können innerhalb der Zelle Zersetzungsreaktionen beginnen.

Daneben können elektrische Fehlzustände eine Rolle spielen, insbesondere Überladung, externe oder interne Kurzschlüsse sowie Fehler im Batterie- oder Ladesystem.

Auch interne Zellfehler sind möglich. Fertigungsfehler, Verunreinigungen, Beschädigungen des Separators oder andere interne Defekte können unter ungünstigen Umständen einen lokalen Kurzschluss und damit eine starke punktuelle Erwärmung verursachen.

Die konkreten Ursachen und das Verhalten unterscheiden sich je nach Zellchemie, Zellformat, Ladezustand, Konstruktion und Batteriesystem teilweise erheblich.

Was passiert innerhalb der Zelle?

Ein Thermal Runaway ist keine einzelne chemische Reaktion. Vielmehr handelt es sich um eine Kaskade unterschiedlicher Reaktionen und Zersetzungsvorgänge.

Bei steigender Zelltemperatur werden zunächst bestimmte Schutz- und Grenzschichten innerhalb der Zelle instabil. Dazu gehört unter anderem die sogenannte Solid Electrolyte Interphase (SEI) auf der Anodenseite. Mit weiter steigender Temperatur können zunehmend Reaktionen zwischen Elektrodenmaterialien und Elektrolyt stattfinden. Gleichzeitig können Elektrolytbestandteile verdampfen beziehungsweise sich chemisch zersetzen. Die Reaktionen erzeugen zusätzliche Wärme und Gase. Der Innendruck der Zelle steigt.

Je nach Zellbauform können vorgesehene Sicherheitsmechanismen reagieren und Gase kontrolliert über eine Entlüftungsöffnung abgeben. Wird jedoch sehr schnell eine große Gasmenge erzeugt oder versagen Sicherheitseinrichtungen, kann es zu einem gewaltsamen Öffnen oder Bersten der Zelle kommen.

Bei weiterem Temperaturanstieg können schließlich umfangreiche exotherme Reaktionen zwischen den Zellbestandteilen einsetzen. Die freigesetzte Wärme treibt den Prozess immer weiter an. Genau dieser Übergang in eine sich selbst beschleunigende Reaktionskette kennzeichnet den eigentlichen Thermal Runaway.

Ein Thermal Runaway muss nicht sofort mit sichtbaren Flammen beginnen

Ein wichtiger Punkt wird bei Batteriebränden häufig übersehen:

Thermal Runaway und sichtbares Feuer sind nicht dasselbe.

Eine Zelle kann bereits thermisch durchgehen und große Mengen heißer Gase freisetzen, ohne dass unmittelbar sichtbare Flammen entstehen. Diese Phase wird häufig als Venting beziehungsweise Off-Gassing bezeichnet.

Bei der thermischen Zersetzung können unter anderem Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, verschiedene Kohlenwasserstoffe sowie verdampfte oder zersetzte Elektrolytbestandteile entstehen. Zusammensetzung und Menge hängen stark von Zellchemie, Ladezustand und den Bedingungen des Ereignisses ab.
Das austretende Gasgemisch kann brennbar und gesundheitsschädlich sein.

Besonders gefährlich ist eine Situation, in der größere Mengen brennbarer Gase zunächst nicht entzündet werden. Sammeln sie sich beispielsweise in einem geschlossenen Raum, Behälter, Fahrzeug oder Batteriesystem an und treffen anschließend auf eine Zündquelle, kann es zu einer sehr schnellen Verbrennung oder einer explosionsartigen Druckwirkung kommen.

Deshalb ist bei Lithium-Ionen-Batterien nicht allein das sichtbare Feuer entscheidend. Bereits die Gasfreisetzung kann eine erhebliche Gefahr darstellen.

Welche giftigen Stoffe können entstehen?

Neben brennbaren Gasen können bei der thermischen Zersetzung und Verbrennung einer Lithium-Ionen-Batterie auch gesundheitsgefährdende und korrosive Substanzen entstehen. In Untersuchungen wurden unter anderem Kohlenmonoxid (CO) und verschiedene organische Verbindungen sowie – abhängig von Zellchemie und Elektrolytzusammensetzung – fluorhaltige Verbindungen einschließlich Fluorwasserstoff (HF) nachgewiesen.

Welche Stoffe in welcher Konzentration entstehen, lässt sich nicht pauschal für jede Lithium-Ionen-Batterie angeben. Das Emissionsprofil ist unter anderem von Zellchemie, Batteriekonstruktion, Ladezustand, Temperatur und Brandbedingungen abhängig.

Dichter weißer oder grauer Rauch beziehungsweise austretende Gaswolken sollten deshalb keinesfalls als harmloser „Wasserdampf“ interpretiert werden.

Warum ist ein Thermal Runaway kein „normaler“ Brand?

Bei einem klassischen Brand wird häufig das sogenannte Verbrennungsdreieck betrachtet. Für eine Verbrennung werden Brennstoff, Sauerstoff und ausreichend Wärme benötigt. Wird einer dieser Faktoren wirksam entzogen, kann die Verbrennung beendet werden.

Bei einer thermisch durchgehenden Lithium-Ionen-Zelle ist die Situation komplexer. Ein erheblicher Teil der Energie- und Wärmefreisetzung entsteht innerhalb der geschlossenen Zelle durch chemische Zersetzungs- und Nebenreaktionen. Diese Vorgänge dürfen daher nicht mit der äußeren sichtbaren Flamme gleichgesetzt werden.

Das bedeutet: Selbst wenn sichtbare Flammen gelöscht oder von der Umgebungsluft getrennt werden, können die exothermen Reaktionen innerhalb einer ausreichend heißen Zelle weiterlaufen.

Bei verschiedenen Kathodenmaterialien können bei hohen Temperaturen zudem Sauerstoff beziehungsweise sauerstoffhaltige Reaktionsprodukte aus der Zellchemie freigesetzt werden und weitere Reaktionen begünstigen.

Deshalb ist die häufig verwendete Aussage, ein Lithium-Ionen-Akku „erzeuge seinen eigenen Sauerstoff“, zwar anschaulich, technisch aber zu stark vereinfacht. Entscheidend ist vielmehr, dass die inneren thermisch-chemischen Reaktionen nicht allein durch das Unterbinden der äußeren Sauerstoffzufuhr gestoppt werden können.

Warum reicht es nicht, die sichtbaren Flammen zu löschen?

Das erklärt eine weitere Besonderheit von Lithium-Ionen-Batteriebränden.
Wird lediglich die äußere Flamme gelöscht, bedeutet das nicht zwangsläufig, dass auch der Thermal Runaway beendet wurde.

Im Inneren einer Zelle können weiterhin hohe Temperaturen und exotherme Reaktionen bestehen. Ebenso können weitere Zellen eines Batteriepacks bereits stark aufgeheizt worden sein. Das Feuer kann deshalb scheinbar gelöscht sein und später erneut auftreten.
Dieses Wiederentzündungsrisiko (Rückzündung) ist insbesondere bei größeren Batteriesystemen relevant.

Warum ist Kühlung so wichtig?

Eines der wichtigsten Ziele bei einem Batteriebrand besteht deshalb darin, Wärme aus dem Batteriesystem abzuführen.

Entgegen einer verbreiteten Annahme ist Wasser bei Bränden von Lithium-Ionen-Batterien nicht grundsätzlich ungeeignet. Die NFPA empfiehlt Wasser ausdrücklich als Lösch- beziehungsweise insbesondere als Kühlmedium bei Lithium-Ionen-Batteriebränden. Der wesentliche Vorteil liegt in seiner hohen Kühlwirkung.

Die praktische Schwierigkeit besteht jedoch darin, das Wasser beziehungsweise die Kühlwirkung auch tatsächlich an die betroffenen Zellen zu bringen.

Bei einem Elektrofahrzeug liegen die Batteriezellen beispielsweise innerhalb eines mechanisch geschützten Batteriegehäuses. Bei anderen Batteriepacks befinden sie sich dicht gepackt in Modulen und Gehäusen. Wird lediglich das äußere Gehäuse gekühlt, kann es deshalb schwierig sein, ausreichend Wärme direkt aus den reagierenden Zellen abzuführen. Je nach Größe und Konstruktion eines Batteriesystems können deshalb große Wassermengen und lange Kühlzeiten erforderlich sein.

Warum lässt sich ein Thermal Runaway nicht einfach „ersticken“?

Bei gewöhnlichen Bränden können Löschmittel und Löschmethoden eingesetzt werden, die unter anderem darauf abzielen, die Verbrennung durch eine Reduzierung der Sauerstoffzufuhr zu unterbrechen. Dazu zählen beispielsweise bestimmte Schaumlöschverfahren, CO₂ oder – bei geeigneten kleineren Brandszenarien – konventionelle Feuerlöschdecken.

Bei einer bereits thermisch durchgehenden Lithium-Ionen-Zelle reicht dieses Wirkprinzip allein jedoch nicht aus. Wie zuvor beschrieben, laufen innerhalb der Zelle thermisch-chemische Reaktionen ab, die nicht allein von der äußeren Sauerstoffzufuhr abhängig sind. Das Unterdrücken oder Löschen sichtbarer Flammen darf deshalb nicht mit der Beendigung des Thermal Runaway innerhalb der Batteriezelle gleichgesetzt werden.

Entscheidend ist die Unterscheidung zwischen der äußeren Verbrennung und dem thermisch-chemischen Prozess innerhalb der Zelle.

Aus diesem Grund können beim Umgang mit Batterieereignissen – abhängig vom jeweiligen Schutzziel und Anwendungsszenario – unterschiedliche Strategien wie Kühlung, Brandraumbegrenzung (Brandbegrenzung) oder Wärmeabschirmung zum Einsatz kommen.

Was bedeutet Thermal Propagation?

Eine einzelne thermisch durchgehende Zelle ist nicht zwangsläufig das größte Problem. In einem Batteriepack befinden sich häufig viele Zellen unmittelbar nebeneinander. Eine reagierende Zelle kann erhebliche Wärmemengen, heiße Gase und Partikel an ihre Umgebung abgeben. Werden benachbarte Zellen dadurch bis in einen kritischen Temperaturbereich aufgeheizt, können diese ebenfalls in einen Thermal Runaway geraten.
Der Prozess breitet sich dann von Zelle zu Zelle aus.

Dieser Vorgang wird als Thermal Runaway Propagation beziehungsweise kurz Thermal Propagation bezeichnet. Genau dieses Verhalten wird beispielsweise bei Batteriesystemen mit speziellen Prüfverfahren untersucht. Der UL-9540A-Test bewertet unter anderem die Ausbreitung eines Thermal Runaway innerhalb stationärer Batteriespeichersysteme. Dadurch kann aus dem Versagen einer einzelnen, vergleichsweise kleinen Zelle ein Ereignis entstehen, das nach und nach ein komplettes Modul oder Batteriesystem betrifft.

Nicht jeder Lithium-Ionen-Akku verhält sich gleich

Auch das ist für eine seriöse Betrachtung wichtig:
„Die Lithium-Ionen-Batterie“ gibt es nicht.

Unter diesem Oberbegriff existieren unterschiedliche Zellchemien, Formate und Konstruktionen.
Zu den bekannten Kathodenchemien gehören beispielsweise:
NMC – Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid
NCA – Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid
LCO – Lithium-Cobalt-Oxid
LMO – Lithium-Mangan-Oxid
LFP – Lithium-Eisenphosphat

Daneben unterscheiden sich Rundzellen, prismatische Zellen und Pouch-Zellen erheblich in ihrem mechanischen Aufbau. Dadurch unterscheiden sich auch thermische Stabilität, Gasentwicklung, Temperaturverlauf und Brandverhalten. Selbst innerhalb derselben Zellchemie können Zellgröße, Hersteller, Ladezustand und Konstruktion das Verhalten beeinflussen.

Aussagen über bestimmte Temperaturen oder zeitliche Abläufe eines Thermal Runaway sollten deshalb niemals pauschal auf sämtliche Lithium-Ionen-Batterien übertragen werden.

Welche Rolle spielt der Ladezustand?

Auch der State of Charge (SoC) – also der Ladezustand – beeinflusst das Verhalten einer Lithium-Ionen-Zelle bei einem thermischen Versagen.

Allgemein steht einer stärker geladenen Zelle mehr elektrochemische Energie zur Verfügung, und zahlreiche Untersuchungen zeigen einen deutlichen Einfluss des Ladezustands auf Wärmefreisetzung, Gasentwicklung und Intensität eines Thermal-Runaway-Ereignisses.

Der Ladezustand ist jedoch nur einer von mehreren Faktoren. Zellchemie, Alterungszustand, Konstruktion und Art der Schädigung wirken ebenfalls auf den Verlauf ein.

Warum ist ein beschädigter Akku auch nach einem Ereignis noch kritisch?

Nach einem Batterieereignis können einzelne Bereiche des Batteriesystems bereits abgekühlt sein, während sich andere Zellen weiterhin in einem kritischen Zustand befinden. Darüber hinaus können beschädigte Zellen interne Kurzschlüsse oder gespeicherte elektrische Energie aufweisen.

Eine scheinbar erloschene Batterie sollte deshalb nicht automatisch als sicher angesehen werden. Bei größeren Batteriesystemen gehört die Überwachung auf erneute Temperaturanstiege und mögliche Wiederentzündungen deshalb zu den wichtigen Maßnahmen nach einem Brandereignis.

Thermal Runaway in einem Satz erklärt

Ein Thermal Runaway ist eine sich selbst verstärkende thermisch-chemische Reaktionskette innerhalb einer Batteriezelle, bei der die Wärmeentstehung die Wärmeabfuhr übersteigt und dadurch immer weitere exotherme Reaktionen ausgelöst werden.

Oder vereinfacht:
Die Zelle wird so heiß, dass ihre eigenen Bestandteile miteinander beziehungsweise durch Zersetzung immer stärker reagieren und dabei noch mehr Wärme erzeugen.

Genau diese Selbstverstärkung unterscheidet den Thermal Runaway grundlegend von einem gewöhnlichen äußeren Brand.

Was macht einen Thermal Runaway so gefährlich?

Die besondere Gefahr entsteht letztlich nicht durch einen einzelnen Faktor, sondern durch das Zusammenspiel mehrerer Eigenschaften.

Innerhalb kurzer Zeit können sehr hohe Temperaturen entstehen. Gleichzeitig können große Mengen heißer, brennbarer und gesundheitsschädlicher Gase freigesetzt werden. Zellen können aufplatzen und heiße Partikel auswerfen. Nicht entzündete Gase können sich ansammeln und später schlagartig entzünden. Die Reaktionen innerhalb der Zelle lassen sich nicht allein durch das Löschen sichtbarer Flammen stoppen. Und bei mehrzelligen Batteriesystemen kann sich der Vorgang auf benachbarte Zellen übertragen.

Damit ist ein Thermal Runaway nicht lediglich ein besonders heißer Brand, sondern ein komplexes thermisches, chemisches und teilweise elektrisches Schadensereignis.

Genau deshalb erfordert der Umgang mit Lithium-Ionen-Batterien eigene Sicherheitskonzepte: möglichst frühzeitiges Erkennen kritischer Zustände, ausreichende Abstände und geeignete Lagerbedingungen, eine Begrenzung möglicher Auswirkungen, wirksame Kühlung sowie Maßnahmen gegen die Übertragung auf benachbarte Batterien oder brennbare Materialien.