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Moderne Technik erfordert im Bereich Brandschutz spezifische Lösungen. Lithium-Ionen-Batterien, die stationär in Gebäuden oder in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen, sind sicherheitstechnisch herausfordernd.

Mit dem verstärkten Einsatz dezentraler Energiespeicher, etwa in Form von Hausspeichern für Photovoltaik oder großen stationären Batterieanlagen, wächst die Relevanz brandschutztechnischer Aspekte. Lithium-Ionen-Batterien haben ein charakteristisches Gefährdungspotenzial, das sich wesentlich aus ihrem chemischen Aufbau und dem thermischen Reaktionsverhalten ergibt.

Ein Elektrolyt ist der Bestandteil einer Batterie, der den Transport von Ionen zwischen Anode und Kathode ermöglicht. In Lithium-Ionen-Batterien besteht der Elektrolyt meist aus einem Lithiumsalz (z. B. Lithiumhexafluorophosphat, LiPF₆), das in einem organischen Lösungsmittelgemisch gelöst ist. Diese Lösungsmittel sind in der Regel Carbonate wie Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat oder Diethylcarbonat.

Warum brennt eine Lithium-Ionen-Batterie?

Die verwendeten organischen Lösungsmittel sind chemisch betrachtet brennbare Flüssigkeiten, vergleichbar mit leicht entzündlichen Lösemitteln. Sie enthalten energiereiche Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen. Wird die Batterie stark erhitzt, beschädigt oder kommt es zu einem internen Kurzschluss, steigt die Temperatur im Inneren stark an. Ab etwa 70–120 °C beginnen Zersetzungsreaktionen. Dabei entstehen brennbare Gase wie Methan, Ethen, Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Wird die sogenannte Zündtemperatur erreicht oder ein Funke erzeugt, entzünden sich diese Gase und damit indirekt auch der verdampfende Elektrolyt.

Die Anode besteht meist aus Graphit. Graphit selbst ist bei Raumtemperatur schwer entzündlich, kann aber bei hohen Temperaturen oxidieren und zur Wärmefreisetzung beitragen.

Die Kathode enthält Metalloxide wie Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid oder Lithium-Eisen-Phosphat. Einige Kathodenmaterialien – insbesondere nickel- oder kobaltreiche Typen – können bei hohen Temperaturen Sauerstoff freisetzen. Dieser Sauerstoff wirkt wie ein internes Oxidationsmittel und treibt die Verbrennung weiter an, selbst wenn von außen wenig Luft vorhanden ist.

Der Separator, eine dünne Kunststofffolie zwischen Anode und Kathode, besteht meist aus Polyethylen oder Polypropylen. Diese Kunststoffe sind brennbar und schmelzen bei Hitze, was Kurzschlüsse begünstigt.

Auch das Gehäuse oder interne Kunststoffe und Kabelisolierungen können zum Brand beitragen.

Brandgase und Gesundheitsgefahren

Bei einem Brandereignis entstehen nicht nur klassische Flammen, sondern es werden komplexe, gesundheitsschädliche Brandgase freigesetzt. Bereits vor dem eigentlichen Brand kann es durch thermische Belastung oder mechanische Beschädigung zu einer Ausgasung kommen, bei der brennbare und explosive Gase wie Methan, Ethen oder Kohlenstoffmonoxid freigesetzt werden.

Diese Gase neigen dazu, sich in Bodennähe anzureichern und können, wenn sie in ausreichender Konzentration auf Luft treffen, explosive Atmosphären bilden.

Thermisches Durchgehen (Thermal Runaway)

Ein wesentliches Gefährdungsmoment ist das sogenannte thermische Durchgehen („thermal runaway“) einer Batterie-Zelle: Dabei erhöht sich, nach Erreichen einer kritischen Temperatur, die Zelltemperatur innerhalb kürzester Zeit so stark, dass es zu selbstverstärkenden exothermen Reaktionen (Kettenreaktionen) kommt. Das Elektrolyt verdampft sukzessive mit ansteigender Temperatur. Dadurch baut sich der Innendruck in der Zelle immer weiter auf.

Diese setzen nicht nur große Wärmemengen, sondern auch Sauerstoff frei und es können explosive Luft-Gas-Gemische entstehen. Diese Prozesse begünstigen eine schnelle Ausbreitung von einer betroffenen Zelle auf benachbarte Zellen. Ein einzelner Runaway kann durch Wärmestrahlung oder Gasaustritt benachbarte Zellen in Serie bringen, was zu einem Großbrand in einem Energiespeichersystem führen kann. Ein Effekt, der letztlich zu einem sehr intensiven Brandverlauf mit hoher Hitzeentwicklung führen kann.

Die bei der Zersetzung entstehenden Brandprodukte sind vielseitig. Neben brennbaren Gasen entstehen beim Brand organische Dämpfe und Ruß, die gesundheitlich gefährlich sind und besondere Anforderungen an Atemschutz und persönliche Schutzausrüstung stellen.

Löscharbeiten sind daher nicht nur taktisch anspruchsvoll, sondern erfordern auch geeignete Schutzkleidung und Atemschutzgeräte, die sowohl vor chemischen Gefahren als auch vor Hitze schützen.

Einsatztaktik und Interventionsstrategie

Die Einsatztaktik bei Bränden von Lithium-Ionen-Energiespeichern unterscheidet sich deutlich von „klassischen“ Gebäudebränden. Zentrale Herausforderungen liegen darin, die Thermik und Ausbreitungsdynamik der Batteriereaktionen zu kontrollieren und Gefährdungen durch Gas- und Rauchbildung zu begrenzen. 

Bereits bei ersten Anzeichen von thermischer Belastung, etwa einem Temperaturanstieg der Batteriehülle von mehr als 1 K pro Minute oder einer Oberflächentemperatur über 60 °C, sind sofort wirksame Kühlmaßnahmen erforderlich, um ein übergreifendes thermisches Durchgehen zu verhindern. 

Gegenmaßnahmen gegen einen thermischen Durchgang setzen früh an und verfolgen zwei Ziele: Die frühe Erkennung und die rechtzeitige Eindämmung. Ein funktionierendes Batteriemanagementsystem (BMS) überwacht Zelltemperatur und Ladezustand, um kritische Zustände zu erkennen und Überladung oder Überhitzung zu verhindern. Zusätzlich kann die Freisetzung von Elektrolytgasen als Vorindikator für einen bevorstehenden Runaway dienen, so dass automatische Schutz- und Löschmaßnahmen ausgelöst werden können. In stationären Anlagen werden häufig Ansaugrauchmelder eingesetzt, die frühzeitig Elektrolyt- und Brandgase detektieren, und Inertgas-Löschanlagen (z. B. Stickstoffflutung) installiert, die den für eine Verbrennung notwendigen Sauerstoff verdrängen und so das Ausbreiten eines ersten Runaways auf andere Zellen hemmen.

Die schnelle Flutung des Batterieraums mit Löschmittel senkt zudem die Bildung großer, explosiver Gasgemische und reduziert Sekundärbrände oder Rückzündungen.

Löschmittel und Brandbekämpfung

Wasser ist das primäre Löschmittel, da es nicht nur Flammen löscht, sondern vor allem die Batterie kühlt und so die weitere chemische Zersetzung verlangsamt. Allerdings kann eine vollständige Durchdringung komplexer Module mit Wasser nicht immer erreicht werden, weshalb ergänzende Maßnahmen wie der Einsatz von Löschschaum oder spezielle Löschzusätze geprüft werden.

Es dürfen ausschließlich geeignete Feuerlöschgeräte eingesetzt werden, die Löschmittel mit hohem Kühleffekt enthalten. Besonders geeignet sind Wasserlöscher sowie Schaumlöscher mit AFFF- oder alkoholbeständigem Mehrbereichsschaum (AR-AFFF), da diese neben der Kühlwirkung eine filmbildende, erstickende Schicht auf dem Brandgut erzeugen. Nicht geeignet und daher unzulässig sind hingegen andere Löschmittel wie ABC- oder BC-Pulver, Metallbrandpulver oder Kohlendioxid (CO₂), da sie keine ausreichende Kühlwirkung entfalten.

Die kühlende Wirkung des Wassers lässt sich dadurch steigern, dass der Siedepunkt des Löschwassers herabgesetzt wird. Auf diese Weise geht das Wasser bereits bei deutlich geringerer Temperatur in den gasförmigen Zustand über und kann dem Brandherd schneller und effektiver Wärme entziehen.

Bereits bei einer geringen Zumischung von bis zu maximal 3 % bewirken Zusatzmittel wie F-500, dass das Löschwasser schon bei etwa 70 °C verdampft. Durch die früh einsetzende Verdampfung entsteht eine intensive Dampfbildung direkt am Brandherd. Dieser Phasenübergang von Wasser zu Wasserdampf erfordert Energie, die in Form von Wärme aus der Glut bzw. aus dem brennenden Material entzogen wird. Die Temperatur des Brandguts sinkt dadurch rasch unter die jeweilige Zünd- beziehungsweise Pyrolysetemperatur.

Belüftung und Explosionsschutz

Neben der reinen Kühlwirkung trägt dieser Effekt auch zur Eindämmung der Brandausbreitung bei. Die schnellere Temperaturabsenkung reduziert die Wahrscheinlichkeit einer erneuten Entzündung und unterbindet die weitere thermische Zersetzung brennbarer Stoffe. In der Folge entstehen weniger toxische Brandgase sowie geringere Mengen an Rauch- und Rußpartikeln. Dies verbessert nicht nur die Löschwirkung, sondern erhöht auch die Sicherheit für Einsatzkräfte und betroffene Personen.

Ein weiterer zentraler Aspekt ist die korrekte Brandgase- und Explosionsschutz-Belüftung von Räumen mit Energiespeichern. Da brennbare Gase vor einem Brand freigesetzt werden können, sollte eine ausreichende technische Lüftung vorhanden sein. Explosionsgefährdete Räume müssen nach den einschlägigen technischen Regeln gekennzeichnet und im Feuerwehrplan vermerkt werden.

Präventive Maßnahmen

Auch im Vorfeld eines Einsatzes ist das Risiko zu minimieren. Batterien oder Batteriesysteme dürfen im Einsatzfall nicht unkontrolliert geöffnet oder verändert werden, da dies zu einer Freisetzung von Elektrolyt und brennbaren Gasen führen kann. Ein abgestimmtes Vorgehen sowie Rücksprache mit fachkundigen Elektroexperten ist daher essenziell. 

Brandschutz beginnt lange vor dem eigentlichen Brandereignis. Neben baulichen und organisatorischen Maßnahmen, wie der geeigneten Positionierung von Speichersystemen, der Bereitstellung von Kühl- und Belüftungstechnik oder der Implementierung von Warn- und Detektionssystemen, fließen auch Erkenntnisse aus aktuellen Forschungsprojekten in die Praxis ein.

Ingenieurmethoden im Brandschutz (Fire Safety Engineering – FSE)

Literatur:

[1] Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung: „Brandschutz beim Umgang mit Lithium-Ionen-Batterien“, Berlin 2024

[2] Technisch-Wissenschaftlicher Beirat (TWB) der Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e.V.: „Erkenntnisse zu Batteriespeicheranlagen mit Lithium-Ionen-Batterien“, Münster 2025

[3] Circolare dei VVF n. 21021 del 23 Dicembre 2024: linee guida antincendio sistemi di accumulo di energia elettrica