GEFAHRENPOTENTIAL EINES EBIKE-AKKU S. Academy on Tour Darmstadt, 12. Januar 2018 Dr. Jochen Mähliß

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1 GEFAHRENPOTENTIAL EINES EBIKE-AKKU S Academy on Tour Darmstadt, 12. Januar 2018 Dr. Jochen Mähliß

2 Das Unternehmen DAkkS-akkreditiertes Prüflabor für Batterie- und Umwelttests Qualitäts- und Sicherheitsprüfungen von Zellen und Batterien entwicklungsbegleitend: Vibration, Überladen, Wärmeverteilung, Nageltest normspezifisch: UN 38.3, IEC 62133, ECE-R100 Sachverständigengutachten Veranstalter von Schulungen, Seminaren und Battery Experts Foren Seminar Pedelecs und E-Bikes, Februar

3 1 BATTERIEN-ABC Quelle: Umweltbundesamt

4 Batterien-ABC 4 Batterie Entladen bedeutet zwei oder mehr Zellen, die mit Hilfe permanenter Mittelelektrisch verbunden sind, einschließlichgehäuse, Anschlüsse und Kennzeichnungen eine einzelne Zelle besteht aus Anode, Kathode, Separator und Elektrolyt Kathode e - e - Anode wiederaufladbare Batterien (Sekundärbatterien, Akkumulatoren) Blei-Säure, Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhydrid, Lithium-Ionen Separator Batterie-Management-System (BMS) elektronische Steuerung, die den Zustand der Batterie überwacht und regelt schützt die Batterie davor, ihren sicheren Arbeitsbereich zu verlassen Standardfunktionen: SCHUTZ - Spannungsüberwachung (Lade-/Entladekontrolle) Gesamtspannung der Batterie und Einzelspannung der Zellen - Stromüberwachung - Temperaturüberwachung

5 Ladeschlussspannung Spannung, bei der die Zelle oder Batterie vollständig geladen ist Ladeschlussspannung darf nicht überschritten werden, sonst wird Zelle oder Batterie dauerhaft geschädigt Überladung Bsp.: Lithium-Ionen-Zelle = 4,2 V Lithium-Ionen-Batterie 2S = 8,4 V Batterien-ABC 5 Überladung Ladevorgang, bei dem die Ladeschlussspannung überschritten wurde Hitzeentwicklung Elektrolyt: Zersetzung Gasbildung Kathode: Zerfall der Kathodenaktivmaterialien exothermer Prozess Sauerstofffreisetzung Anode: Lithium-Plating Dendritenbildung innerer Kurzschluss irreversible Schädigung sicherheitskritisch!!! Bsp.: Zerfall der Kristallstruktur des Kathodenaktivmaterials führt zu einem Thermal Runaway (selbstverstärkender Prozess)

6 Kurzschluss Batterien-ABC 6 nahezu widerstandslose Verbindung zwischen den Polen einer Zelle oder Batterie hoher Kurzschlussstrom Erhitzung der Batterie Zersetzung und Verdampfung der Elektrolytflüssigkeit Gasbildung ausgestoßenes Gas kann sich an den heißen Verbindern entzünden Feuer!!! VIDEO1

7 2 LITHIUM-IONEN- BATTERIEN Quelle: BMZ_Explosionszeichnung Batterie

8 Lithium-Ionen-Zellen: Vorteile 8 Vorteile keinen Memory-Effekt (wie bei NiCd) keinen Lazy-Effekt (wie bei NiMH) hohe Spannung von bis 3,7 V pro Zelle leichteste feste Element höchste Energiedichten hoher Wirkungsgrad von bis zu 95 % (Verhältnis Entladestrommenge/ Ladestrommenge) großer Temperaturbereich (-20 C bis +70 C) Energiedichte [Wh/L] Blei NiCd NiMH Li-Ionen Li-Polymer Panasonic NCR18650GA 262 Wh/kg 736 Wh/L lange Lebensdauer (> 300 Zyklen) niedrige Selbstentladungsrate (< 1 % pro Monat) Energiedichte [Wh/kg] umweltfreundlich (enthalten keine giftigen Substanzen wie Cd, Pb oder Hg)

9 Batterie-Management-System Lithium-Ionen-Batterien: Schutzelemente 9 Thermische Sicherung ( PTC) SC-Protector ( Schmelzsicherung) Entlade- FET 2 nd protection 1 st protection Lade- FET Batt+ IC Zelle oder Batterie Spannung Temperatur Temperaturfühler ( NTC) Schutzschaltung Ladezustand Kommunikation mit PC Strom Strommesswiderstand Batt-

10 Richtiger Umgang Lithium-Ionen-Batterien: Richtiger Umgang 10 bei ordnungsgemäßem Umgang und sachgerechter Handhabung können Batterien als vergleichsweise sicher angesehen werden aufgrund technischer Defekte oder unsachgemäßer Handhabung kann es jedoch zu einer unkontrollierten Abgabe der gespeicherten Energie kommen Brandgefahr!! Grundsätzlich gilt: a) nicht zerlegen, öffnen, zerkleinern Batterien sollten nur von ausgebildetem Personal zerlegt werden Batteriegehäuse sollten nur mit Hilfe eines Werkzeugs geöffnet werden können b) nicht kurzschließen Batterien dürfen nicht in Schachtel/Schubfach gelagert werden, in welcher sie sich gegenseitig kurzschließen können oder durch andere leitende Werkzeuge kurzgeschlossen werden können erst unmittelbar vor Verwendung aus der Originalverpackung entnehmen c) keinen hohen Temperaturen aussetzen oder ins offene Feuer werfen (Gefahr des gewaltsamen Berstens!) direktes Sonnenlicht vermeiden

11 Lithium-Ionen-Batterien: Richtiger Umgang 11 d) keinen mechanischen Stößen aussetzen nach Herunterfallen Batterie/Gerät zur Seite legen und beobachten bei sichtbarer äußerlicher Beschädigung nicht weiterverwenden! e) keine beschädigten oder ausgelaufenen Batterien verwenden bei Berührung mit Elektrolytflüssigkeit Haut mit reichlich Wasser waschen und ggf. Arzt aufsuchen f) keine anderen Ladegeräte verwenden ( Überladen) Ladegerät sollte klar zugeordnet sein vollständige Anleitung für das Laden sollte zur Verfügung gestellt werden g) Zellen und Batterien dürfen nur in solchen Anwendungen eingesetzt werden, für die sie bestimmt sind ( Überhitzung) h) nur in dem vorgegebenem Temperaturbereich betreiben Entladen: -20 C bis +60 C Laden: 0 C bis +45 C i) Zellen und Batterien keinem Regen aussetzen oder in Flüssigkeiten tauchen Korrosion oder Kurzschluss Anschlüsse ggf. mit einem trockenen, sauberen Tuch reinigen Batterien nicht weiter verwenden, wenn: - Ladevorgang nicht innerhalb der spezifizierten Zeit beendet wurde -ungewöhnliche Wärme, Geruch, Verfärbung, Deformation während Gebrauch, Ladevorgang oder Lagerung detektiert wird

12 Brandbekämpfung Lithium-Ionen-Batterien: Richtiger Umgang 12 Lithiumbatterien: Feuerlöscher der Brandklasse D (Trockenpulver) verwenden Sand, Pyro Bubbles N 2 - (und CO 2 )-Löscher Wasser Lithiumbatterien, die sich in Ausrüstung befinden (aus ZVEI Merkblatt Nr. 2, Ausgabe Dez. 2011): Aufgrund der Bauweise und der Batterieeigenschaften sind keine zusätzlichen oder besonderen Löschmittel vorzuhalten, da die Batterien entsprechend geschützt sind. Umgebungsbrände der Batterien sind mit herkömmlichen Löschmitteln zu bekämpfen. Der Brand einer Batterie kann nicht vom Umgebungsbrand getrennt betrachtet werden. Durch die kühlende Wirkung von Wasser wird das Übergreifen eines Brandes auf Batteriezellen, die noch nicht die für eine Entzündung kritische Temperatur erreicht haben, wirkungsvoll gehemmt. Für den Einsatz von Wasser spricht zudem dessen weitgehende Verfügbarkeit. Achtung! sicherstellen, dass bei der Brandbekämpfung keine giftigen Dämpfe eingeatmet werden und Flammen nicht ins Gesicht schlagen

13 Lagerung Lithium-Ionen-Batterien: Lagerung 13 Batterien kühl und trocken lagern! Lagertemperatur: 0 bis +45 C möglichst kühl lagern! Raumtemperatur C ausreichend direkte Sonneneinstrahlung vermeiden! Luftfeuchtigkeit: 0 bis 80 % Lager muss gut durchlüftet sein durch zu hohe Luftfeuchtigkeit kann es zu Korrosion und Kurzschluss kommen Batterien nicht zu lange lagern! durch lange Lagerung wird die Kapazität der Batterien reduziert und die Lebensdauer verkürzt nach dem first in first out (fifo)-prinzip vorgehen!! Gebrauchte Batterien nicht länger als 3 Monate lagern, bevor sie entsorgt werden! Beschädigte Batterien umgehend fachgerecht entsorgen!

14 Lithium-Ionen-Batterien: Lagerung 14 Batterien in sicherem Abstand zu entzündlichen Materialien lagern! keine Mischlagerung Freistreifen von 2,5 m zu anderen Gütern einhalten oder in brandschutztechnische abgetrennten Bereichen (Container, Sicherheitsschrank, Gefahrstoffraum) lagern Batterien nicht mit anderen metallischen Gegenständen lagern! Kurzschlussgefahr Ladekapazität sollte nicht mehr als 50 % ihrer Nennkapazität betragen! hohe Zellspannungen beschleunigen die Zersetzungsprozesse bei längerer Lagerung von Zeit zu Zeit Aufladezustand kontrollieren und ggf. wiederaufladen Im Lagerbereich nicht rauchen! Lagerbereich lüften und vor Feuer schützen. Es muss ein Sicherheitssystem installiert sein, das einen Brand automatisch entdeckt und Alarm auslöst! Einen Feuerlöscher in greifbarer Nähe zum Lagerbereich bereitstellen! Lithium-Ionen-Batterie: Metallbrandlöscher Klasse D Erste Hilfe-Kasten in unmittelbarer Reichweite aus- und Notfallrufnummer gut sichtbar hinterlegen!

15 3 TRANSPORT- VORSCHRIFTEN

16 Transportvorschriften für Lithium-Ionen-Batterien 16 Transportvorschriften für Lithium-Ionen-Batterien hohe Energiedichte von Lithiumbatterien birgt Gefahrenpotential UPS1307 Philadelphia, USA grundsätzlich werden Lithium-Ionen-Batterien im Transportverkehr als Gefahrgut Klasse 9 eingestuft UN 3480 LITHIUM-IONEN-BATTERIEN UN 3171 Batteriebetriebenes Fahrzeug Zuordnung entsprechender UN-Nummer: Verpackungsgruppe, Sondervorschriften und Verpackungsanweisung

17 Transportvorschriften ADR 17 Verpackungs- und Transportvorschriften ADR Für den Versand per Straße ( ADR) gelten folgende Verpackungsgruppe, Sondervorschriften und Verpackungsanweisungen: UN- Nummer Benennung und Beschreibung Gefahrgutklasse Verpackungsgruppe 3480 LITHIUM-IONEN-BATTERIEN 9 II 188, 230, 310, 348, 376, 377, Batteriebetriebenes Fahrzeug 9 II 240, 666, 667, 669 Sondervorschriften Verpackungsanweisungen P903, P908,P909, P910, LP903, LP904

18 Beförderung Straße Transport Gefahrgutvorschriften Lithium-Ionen-Zellen mit Nennenergie > 20 Wh Lithium-Ionen-Batterien mit Nennenergie > 100 Wh Ablauf einer Gefahrgutbeförderung 18 Sondervorschriften 230, 348 und Verpackungsanweisung P903 ADR Batterien, die nach dem 31. Dezember 2011 hergestellt werden, müssen auf dem Außengehäuse mit der Nennenergie in Wattstunden gekennzeichnet sein Anforderungen aller Prüfungen des UN-Handbuchs Prüfungen und Kriterien, Teil III, Unterabschnitt 38.8 erfüllt einen Schutz gegen inneren Überdruck enthalten und so ausgelegt sein, dass ein Gewaltbruch unter normalen Beförderungsbedingungen verhindert wird Zellen und Batterien müssen gegen Kurzschluss geschützt sein jede Batterie mit mehreren Zellen oder mit Zellen in Parallelschaltung ist mit wirksamen Einrichtungen ausgerüstet, die einen gefährlichen Rückstrom verhindern (z.b. Dioden,Sicherungen) Zellen und Batterien müssen unter einem Qualitätssicherungsprogramm hergestellt werden

19 ADR ADR ADR Verpacken Folgende, von der zuständigen Behörde zugelassene, Verpackungen sind zugelassen: Fässer (1A2, 1B2, 1N2, 1H2, 1D, 1G) Bsp.: 1A2=Fass aus Stahl mit abnehmbaren Deckel, 1D= Fass aus Sperrholz Kisten (4A, 4B, 4N, 4C1, 4C2, 4D, 4F, 4G, 4H1, 4H2) Bsp.: 4B=Kiste aus Aluminium, 4C2=Kiste aus Naturholz mit staubdichten Wänden, 4G=Kiste aus Pappe Kanister (3A2, 3B2, 3H2) Bsp.: 3H2=Kanister aus Kunststoff mit abnehmbaren Deckel Ablauf einer Gefahrgutbeförderung 19 Die Verpackungen müssen den Prüfanforderungen für die Verpackungsgruppe II entsprechen. Zellen und Batterien müssen so in Verpackungen verpackt werden, dass die Zellen oder Batterien vor Beschädigungen geschützt sind, die durch Bewegungen in der Verpackung oder das Einsetzen in die Verpackung verursacht werden können

20 ADR 5.2 Markieren und Kennzeichnen Ablauf einer Gefahrgutbeförderung 20 Versandstück muss mit folgenden Angaben gekennzeichnet sein, die nicht verdeckt sein dürfen: - UN-Nummer (Zeichenhöhe mind. 12 mm) ADR Gefahrzettel auf Spitze gestelltes Quadrat Mindestabmessungen 100 x 100 mm Nummer der Klasse in der unteren Ecke Gefahr der Klasse 9 (Verschiedene gefährliche Stoffe und Gegenstände): sieben vertikal angeordnete schwarze Streifen auf weißem Grund -Symbol der Vereinten Nationen für Verpackungen 4G = Kiste aus Pappe Y32 = mittlere Gefahr/bis 32 kg S = Feststoff 16 = Herstellerjahr D = Herstellungsland (Deutschland) BAM = Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung UN 3480 speziell mitgetestetes Gefahrgutklebeband u n 4G/Y32/S/17/D/BAM 6339-WSG ADR Umverpackungen müssen mit dem Ausdruck UMVERPACKUNG gekennzeichnet sein

21 ADR Dokumente und Begleitpapiere Ablauf einer Gefahrgutbeförderung 21 jede Sendung muss von einem Beförderungspapier begleitet werden, das folgende Angaben enthält: 1. UN-Nummer (UN 3480) 2. offizielle Benennung (LITHIUM-IONEN-BATTERIEN) 3. Nummer der Gefahrzettelmuster (9) 4. Tunnelbeschränkungscode (E) UN 3480 LITHIUM-IONEN-BATTERIEN, 9, (E) Anzahl und Beschreibung der Versandstücke die Gesamtmenge jedes gefährlichen Gutes (als Volumen bzw. als Brutto- oder Nettomasse) Name und Anschrift des Absenders Name und Anschrift des Empfängers

22 Ablauf einer Gefahrgutbeförderung 22 Lithiumhaltige Zellen und Batterien müssen der Gefahrgutverordnung entsprechend verpackt und die Sendung entsprechend gekennzeichnet werden: 1. Batterie 2. Innenverpackung 3. Außenverpackung 4. Versandstück 5. Umverpackung

23 Freistellungen im Zusammenhang mit der Art der Beförderungsdurchführung ADR : Die Vorschriften des ADR gelten nicht für: Ablauf einer Gefahrgutbeförderung 23 Privatpersonen a) Beförderungen gefährlicher Güter, die von Privatpersonen durchgeführt werden, sofern diese Güter einzelhandelsgerecht abgepackt sind und für den persönlichen oder häuslichen Gebrauch oder für Freizeit und Sport bestimmt sind, vorausgesetzt, es werden Maßnahmen getroffen, die unter normalen Beförderungsbedingungen ein Freiwerden des Inhalts verhindern. Handwerker c) Beförderungen, die von Unternehmen in Verbindung mit ihrer Haupttätigkeit durchgeführt werden, wie Lieferungen für oder Rücklieferungen von Baustellen im Hoch- und Tiefbau, oder im Zusammenhang mit Messungen, Reparatur- und Wartungsarbeiten. Es sind Maßnahmen zu treffen, die unter normalen Beförderungsbedingungen ein Freiwerden des Inhalts verhindern. keine Versorgungsfahrten zulässig! Lithium-Ionen-Batterien können -unabhängig ihrer Nennenergie- unter Beachtung von ADR transportiert werden, wenn folgende Maßnahmen getroffen worden sind: - kurzschlusssicher verpackt (Bsp. Originalverpackung) -gesichert gegen Verrutschen (Bsp. Niederzurren mit Gurten oder Netz, Auffüllen von Ladelücken)

24 Nicht-freigestellte Beförderungen Nennenergie > 100 Wh: - Transport als Gefahrgut der Klasse 9 - Beförderungspapier: 1. UN-Nummer (3480) 2. offizielle Benennung (LITHIUM-IONEN-BATTERIE) 3. Nummer der Gefahrzettelmuster (9) 4. Tunnelbeschränkungscode (E) die Gesamtmenge jedes gefährlichen Gutes (Bruttomasse), Name und Anschrift des Absenders, Name und Anschrift des Empfängers - Li-Ionen-Batterien müssen ordnungsgemäß verpackt, gesichert und gekennzeichnet sein - Feuerlöscher 2 kg Ablauf einer Gefahrgutbeförderung 24 - Schriftliche Weisungen für die Hilfe bei unfallbedingten Notfallsituation sind mitzuführen Auszugsweise aus ADR : bremsen, Motor abstellen Einsatzkräfte verständigen Warnweste anlegen und selbststehendes Warnzeichen an geeigneter Stelle aufstellen Beförderungspapiere für die Ankunft der Einsatzkräfte bereithalten

25 Ablauf einer Gefahrgutbeförderung 25 sofern gefahrlos möglich, Feuerlöscher verwenden, um kleine Brände/Entstehungsbrände an Reifen, Bremsen und Motorraum zu bekämpfen sich aus unmittelbarer Umgebung des Unfalls entfernen, andere Personen auffordern sich zu entfernen kontaminierte Kleidung ausziehen und sicher entsorgen

26 Lithium-Ionen-Batterien 26 Beförderung von Batteriebetriebenen Fahrzeugen oder Batteriebetriebenes Gerät Batteriebetriebene Fahrzeuge sind unter UN 3171 eingeordnet!! UN 3171: Batteriebetriebenes Fahrzeug oder Batteriebetriebenes Gerät Diese Eintragung gilt nur für Fahrzeuge, die durch Nassbatterien, Natriumbatterien, Lithium-Metall-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien angetrieben und mit diesen Batterien im eingebauten Zustand befördert werden. Fahrzeuge sind selbstfahrende Geräte, die für die Beförderung einer oder mehrerer Personen oder von Gütern ausgelegt sind. elektrisch angetriebene Personenwagen, Motorräder, Motorroller, Elektrofahrräder, Rollstühle, Aufsitzrasenmäher, Boote, Flugzeuge Sondervorschriften 240, 666, 667 and 669 unterliegen nicht den Vorschriften das ADR

27 Literatur 27

28 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Batteryuniversity GmbH Am Sportplatz Karlstein am Main Germany Tel. +49 (0) Fax. +49 (0)