Eine explosive Enthüllung

Bevor ich diesen Artikel beginne, möchte ich den tapferen Männern und Frauen danken, die als Ersthelfer dienen und sich in unbekannte Situationen begeben, um als erste Verteidigungslinie für uns alle zu fungieren. Von ganzem Herzen, danke. Unsere Branche arbeitet hart daran, die Anzahl unsicherer Situationen, denen Sie begegnen müssen, zu begrenzen, aber unsere Bemühungen reichen bisher noch nicht aus, um Ihre Sicherheit zu gewährleisten.

Bevor wir uns also ins Thema stürzen, wollen wir den Rahmen für alles abstecken, was wir bisher in diesem Wholistic Battery Safety Newsletter behandelt haben. Von der Definition, wie ein ganzheitlicher Ansatz zur Batteriesicherheit aussieht, über die Bewertung des geschätzten Risikoumfangs bis hin zu Minderungsstrategien, die zur Lösung dieses Problems beitragen könnten. Wir haben auch die aktuelle Situation in New York City analysiert, was wir bei Soteria tun, um an einer Lösung mitzuarbeiten, sowie einige der „schönen Theorien“ erörtert, die von Menschen als Ursache dieser Sicherheitsereignisse genannt werden. Das bringt uns zu diesem Artikel: Was passiert, wenn sich das Sicherheitsereignis von einem Brand zu einer Explosion entwickelt?

Zwei Fallstudien

Surprise, Arizona, 19. April 2019

Im Jahr 2019 ereignete sich in der passend benannten Stadt Surprise, Arizona, ein Brand in einem Lithium-Ionen-Batteriespeicher. Zu diesem Zeitpunkt hatten vier Berufsfeuerwehrleute die Tür der Anlage geöffnet, wurden aber sofort und ballistisch von einer Flammenexplosion zurückgeschleudert – über 23 Meter horizontal und 6 Meter vertikal – alles innerhalb von 30 Sekunden nach dem Öffnen der Tür. Die vier Feuerwehrleute wurden schwer verletzt, nachdem sie sich um das gekümmert hatten, was sie ursprünglich nur als Rauch aus der stillgelegten Energiespeicheranlage wahrgenommen hatten. Ein Feuerwehrmann wurde in und unter einen Maschendrahtzaun geschleudert und kam 22 Meter von der Tür entfernt unter einem Busch zum Liegen. Ein anderer wurde ebenfalls durch den Zaun geschleudert und kam 9 Meter von der Tür entfernt zum Liegen. Die beiden anderen wurden seitlich weggeschleudert. Alle Feuerwehrleute waren nach dem Ereignis bewusstlos. Drei von ihnen erlitten sehr schwere Verletzungen, darunter Knochenbrüche, während der andere Gesichtsverletzungen hatte.

Ein vollständiger, detaillierter Bericht wurde vom UL Firefighters Safety Research Institute unter dem Titel „Four Firefighters Injured in Lithium-ion Battery Energy Storage System Explosion – Arizona“ erstellt. Unser Dank gilt auch den Autoren dieses Berichts, die uns alle verfügbaren Details zur Verfügung gestellt haben, damit wir aus diesem Ereignis lernen und zukünftige Ereignisse verhindern können.

Birmingham, Alabama, 31. März 2023

Ein 18-Rad-LKW, der mindestens 25 Fünfundfünfzig-Gallonen-Fässer mit gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien transportierte, explodierte am 31. März 2023 an einer Flying-J-Raststätte. Bei der Explosion wurden die vier Seiten und das Dach des Anhängers vom LKW weggeschleudert, und der LKW-Rahmen wurde stark zum Boden hin verbogen. Der Fahrer war nicht in der Nähe des LKW, und glücklicherweise wurde niemand verletzt, so dass die Feuerwehr den Brand ohne Zwischenfälle löschen konnte.

Es gibt weitaus weniger Informationen über dieses neuere Ereignis, aber ein Bericht ist hier zu finden: CTIF: Fässer mit entsorgten Lithiumbatterien explodierten während des Transports auf dem Weg zum Recycling. Wie Sie auf den Bildern sehen können, hat die Explosion die Wände des Anhängers zerfetzt und den Rahmen stark verbogen.

Einige Gemeinsamkeiten der beiden Ereignisse

Es gibt mehrere Überschneidungen zwischen den beiden Ereignissen, die uns helfen können, Designüberlegungen bei Batterieinstallationen verschiedener Größen zu berücksichtigen, von Mobiltelefonen bis hin zu acreweiten Energiespeicheranlagen.

• Behälter: Beide Ereignisse hatten einen Behälter um die Batterien herum.
• Großer Gasraum: Beide Ereignisse hatten einen großen, offenen Gasraum im Behälter, der vor der Zündung explosive Gase zurückhalten konnte.
• Große Menge an Batterien: Beide Ereignisse betrafen eine große Menge an Batterien.
• Keine Entlüftung: Keiner hatte eine entworfene Entlüftung, die im Falle einer nicht-thermischen Entgasung der Batterien ausgelöst würde.
• Explosionen: Beide Ereignisse führten zu Explosionen, die eine Größenordnung von mindestens zehn Metern, sowohl horizontal als auch vertikal, hatten.

Ursache der Explosionen: eine plausible Vermutung

Dies wird lediglich als plausible Vermutung bezeichnet, denn wie bei den meisten Lithium-Ionen-Batteriebränden verzehrt das Feuer den Großteil der Beweise. Was aber wahrscheinlich passiert ist:

• Eine oder mehrere Zellen hatten ein thermisches Ereignis, das NICHT zu einem thermischen Durchgehen führte, sondern zu einer Entgasung der Batterie in den nahegelegenen Raum.
• Wahrscheinlich trat dies in jedem Fall in mehr als einer Zelle auf, so dass eine erhebliche Erhitzung beteiligt war.
• Der Raum unmittelbar außerhalb der Zellen füllte sich mit brennbaren Gasen – Wasserstoff, verdampfter Elektrolyt und andere.
• Ohne Funken oder Sauerstoff sammeln sich die Gase weiter an, bis sie ein gefährliches Verhältnis erreichen.
• Dann tritt entweder ein Funken auf oder Sauerstoff wird in das System eingeführt, was eine Explosion verursacht.

Die Explosion unterscheidet sich von einem Standard-Wärmedurchgehen, da das Gas zunächst eingeschlossen ist, wodurch sich eine Druckwelle aufbauen kann, wenn sich die Flammenfront von der Zündquelle wegbewegt. Sobald dieser Druckwellenstoß den Behälter aufbricht, erzwingt er eine massive Druckentlastung, die im Fall von Lithium-Ionen-Batterien mit der Einführung von mehr Sauerstoff in das explosive System verbunden ist.

Auswirkungen auf das Design von Akkupacks und die Verpackung für den Batterietransport

Diese beiden Ereignisse haben unmittelbare Auswirkungen auf das Design von Akkupacks und die Verpackung für den Batterietransport.

Akkupack-Design

Kurz gesagt: Gestalten Sie Ihr Akkupack so, dass die Ansammlung von Entlüftungsgasen einer Zelle vermieden wird, die entlüftet wurde, ohne in den thermischen Durchbruch zu geraten. Die zwei wichtigsten Überlegungen sind:

• Hohlraum: Reduzieren oder eliminieren Sie Hohlräume im Batteriegehäuse. Mobiltelefone haben fast keine. Grob konstruierte Packs mit 18650er-Zellen können viele haben.
• Entlüftung: Gestalten Sie eine nach außen öffnende Entlüftung in den Pack, die sich öffnet, wenn ein Entlüftungsereignis einer Zelle auftritt, aber offensichtlich auch sonst geschlossen bleibt, um die Batterien vor den Elementen zu schützen. Dies kann mit einer Kunststoffmembran oder einer Sollbruchstelle erfolgen.

Man könnte meinen, dass dies nur große Batterien, wie Elektrofahrzeuge oder Energiespeicher, betrifft. Aber kleine Akkupacks von sogar weniger als 1 kWh können eine große Menge brennbarer Gase enthalten, wenn sie nicht gut konstruiert sind. Und ein dichtes Gehäuse kann einen ausreichenden Druck erzeugen, um die Batterie selbst zu einem Projektil zu machen oder eine Flammenexplosion zu verursachen, die groß und schwerwiegend genug ist, um erhebliche Verletzungen zu verursachen. Mobiltelefone sind kleine Batterien mit sehr geringem Gasvolumen. E-Bikes, Motorräder und leichte Elektrofahrzeuge können ein großes Volumen an Hohlräumen enthalten und haben daher das Potenzial, sehr explosiv zu werden.

Batterietransportverpackung

Um die Batterien zu schützen, wird die Transportverpackung wahrscheinlich viel Leerraum enthalten, der sogar mit brennbaren Materialien wie Schaumstoff, Papier oder anderen Verpackungsmaterialien gefüllt sein kann. Daher müssen sie eine ordnungsgemäße Belüftung aufweisen und möglicherweise sogar mit einer Zwangsluftzufuhr ausgestattet sein, um die Ansammlung brennbarer Gase zu verhindern. Darüber hinaus sollten andere Materialien, die als Brennstoff für den Brand dienen könnten, so weit wie möglich minimiert werden.

Fazit

Batteriebrände sind an sich schon sehr gefährlich und können andere Materialien und Strukturen entzünden. Wenn jedoch der Brand verzögert wird und die Verzögerung die Ansammlung brennbarer Gase in einem geschlossenen Behälter verursacht, kann die Gefahr einer Explosion bestehen, die extreme Sicherheitsrisiken mit sich bringen kann.

Für diejenigen unter Ihnen, die sich Gedanken machen: Die obigen Empfehlungen gehen nicht über das Offensichtliche hinaus, und es gibt wahrscheinlich einige Innovationen, die sowohl den Brand als auch den offenen Raum reduzieren können, ohne zu viel zusätzliche Kosten oder Gewicht für das System zu verursachen. Ich ermutige Sie, Ihre Ideen in den Kommentaren unten zu teilen oder, noch besser, sie zu bauen und auf dem Markt anzubieten!