Löschtechnik: Brandschutz in der LIB-Fertigung

Brandschutz in der Batteriezellfertigung beginnt nicht erst mit der Löschanlage. Er beginnt bei stabilen Prozessen, klaren Qualitätskriterien und einer Fertigung, die kritische Abweichungen frühzeitig erkennt, analysiert und ggf. beseitigt. Für Hersteller liegt genau darin der größte Hebel.

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In der Batteriezellfertigung entwickeln sich Brandrisiken überall dort, wo energiereiche Materialien, enge Toleranzen, Lösemittel, Wärmeeintrag, manuelle Prozesse („Human Factor“) und automatisierte Anlagen aufeinandertreffen. Weil sie selten isoliert auftreten, können punktuelle, auf bauliche Maßnahmen beschränkte Mechanismen keinen ausreichenden Schutz bieten. Fehler wirken oft über mehrere Prozessschritte hinweg. Kleine Defekte, die in einem frühen Stadium unentdeckt bleiben, können später gravierende Folgen haben. Eine belastbare risikobasierte Brandschutzstrategie bewertet daher nicht nur einzelne Anlagenteile, sondern die gesamte Prozesskette. Daraus folgen konkrete Auslegungskriterien, maßgeschneiderte Brandschutzmaßnahmen, definierte Prüfanforderungen und ein robustes Abweichungs- und Eskalationsmanagement. Für Hersteller empfiehlt sich deshalb, das klassische Brandschutzkonzept um Prozess- sowie Maschinensicherheit zu ergänzen und eine integrierte, risikobasierte Strategie zu entwickeln. Wichtig sind hierbei die Besonderheiten der drei Hauptbereiche in der LIB-Zellfertigung: Elektrodenfertigung, Zell-Assemblierung und Zell-Finishing.

Brandschutz als Teil der Fertigungsstrategie

Im ersten Produktionsabschnitt, wie z. B. beim Mischen, Beschichten, Trocknen und Kalandrieren spielen organische Lösemittel, hohe Temperaturen, mechanische Beanspruchung und elektrostatische Entladungen eine zentrale Rolle. Sensible Materialien und Rohstoffe treffen auf mögliche Zündquellen. Eine Reduktion der Zündquellen trägt ebenso zur Sicherheit bei wie die Verwendung qualifizierter Rohstoffe und deren definierte Handhabung und Lagerung. Ebenso wichtig sind passende Absaug- und Lüftungskonzepte sowie eine kontinuierliche Qualitätssicherung, die Abweichungen früh erkennt und bei Bedarf beseitigt. Das verringert das Risiko, dass sich Defekte in nachgelagerte Schritte übertragen und die spätere Zellsicherheit gefährden.

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Welche Risiken bestehen in der Elektrodenfertigung?

In der Zellassemblierung werden die Zellen erstmals befüllt. Hier besteht ein Risiko im Umgang mit dem flüssigen, leicht entzündlichen Elektrolyt. Dieses Risiko erhöht sich schon durch kleine Leckagen oder Fehlbefüllungen. Problematisch wird die Situation, wenn zusätzliche Wärmeeinträge, etwa beim Schweißen oder Kontaktieren, auftreten. Der Prozess des Befüllens sollte deshalb kontinuierlich geprüft und überwacht werden – zum Beispiel anhand des Benetzungsgrades – und strenge Freigaberegelungen für Parameteränderungen einhalten.

Prozessschritte wie z. B. das Vereinzeln, Stapeln und Verpacken der befüllten Zellen sind anfällig für mechanische Belastungen und technische Störungen, die zu Funkenbildung und Beschädigungen führen können.

Zellassemblierung und der Umgang mit Elektrolyt

Wenn im Prozessschritt Formierung die Zellen erstmals geladen werden, steigt das Brandrisiko erheblich. Jeder Defekt, etwa beschädigte Separatoren oder eine fehlerhafte Elektrolytbefüllung, kann hier ein thermisches Durchgehen (engl. „Thermal Runaway“) auslösen. Diese unkontrollierte, selbstverstärkende Kettenreaktion im Zellinneren, ausgelöst durch z. B. Kurzschlüsse oder thermische Beanspruchung, kann zu Feuer, Explosionen unter Freisetzung toxischer Rauchgase führen. Thermisches Durchgehen ist deshalb so kritisch, weil es, einmal gestartet, als selbsterhaltende exotherme Reaktion, nicht zu stoppen ist. Schutzkonzepte müssen deshalb vor allem die Früherkennung adressieren, den Prozess räumlich begrenzen, die Ausbreitung auf andere Bereiche verhindern sowie Notfallmaßnahmen definieren. Alle Sensor- und Alarmierungssysteme müssen jederzeit funktionsfähig und verfügbar sein. Auch schleichende Verschmutzung und die Alterung aller Komponenten beeinträchtigen die Sicherheit.

Wie lässt sich das Risiko im Aging reduzieren?

Die Reifung (Aging) erfordert ebenfalls spezielle Aufmerksamkeit. Viele bereits geladene Zellen lagern in diesem Schritt in verschiedenen Temperaturzonen. Nicht überall ist ein Batteriemanagementsystem (BMS) vorhanden, welches diese Phase beinhaltet beziehungsweise dauerhaft überwacht. Entscheidend sind hier eine möglichst frühe Detektion, klar definierte Alarmwege und wirksame Maßnahmen zur Begrenzung und Beherrschung eines möglichen Brandereignisses. Mit dieser Verzahnung aus Überwachung und Notfallorganisation lässt sich das spezifische Risiko dieses Prozessschritts deutlich auf ein akzeptables Maß reduzieren.

Die risikobasierte Brandschutzstrategie kann als Grundlage für die engmaschige Überwachung und dem gezielten Brandschutz beider Schritte dienen und definiert Freigaben und Qualitätskriterien für einen Produktionsstopp oder Notfall. Die lückenlose Rückverfolgbarkeit der gesamten Charge und aller Prozesse bildet die Basis für eine wirksame Eindämmung der Risiken. Für alle Abweichungen sollten klare Regeln definiert sein.

Der rechtliche Rahmen: Vorgaben durch risikobasierte Strategie ergänzen

Seitens des Baurechts sind in Deutschland bei der LIB-Zellfertigung vor allem die Musterbauordnung (MBO) mit den einzelnen Landesbauordnungen, die Muster-Verwaltungsvorschrift Technische Baubestimmungen (MVV TB) und Sonderbauvorschriften wie z. B. die Muster-Industriebaurichtlinie relevant.

Die risikobasierte Brandschutzstrategie stützt sich methodisch h auf die Regelwerke EN ISO 19353:2019 (Sicherheit von Maschinen - Vorbeugender und abwehrender Brandschutz) und DIN EN ISO 12100:2011 (Sicherheit von Maschinen - Allgemeine Gestaltungsleitsätze - Risikobeurteilung und Risikominderung).

Neben den genannten prozess- maschinen und brandschutzbezogenen Regelwerken sind für LIBs in Elektrofahrzeugen auch Prüfnormen wie die IEC 62660 (Lithium-Ionen-Sekundärzellen für den Antrieb von Elektrostraßenfahrzeugen) mit ihren Teilen 1-3 zu beachten: IEC 62660-1 Leistungs- und Lebensdauerprüfungen, IEC 62660-2 Prüfungen zu Zuverlässigkeit und Missbrauchsverhalten von Zellen sowie IEC 62660-3 Sicherheitsanforderungen für Lithium-Ionen-Zellen und Zellblöcke. Ergänzend sind auch die ISO 14001 (bezüglich Umweltmanagementsysteme) die ISO 45001 (bezüglich des Arbeitsschutzes und sicherer Arbeitsbedingungen) und die EU-Batterieverordnung (EU) 2023/1541 (bezüglich der Informations- und Nachhaltigkeitsanforderungen sowie dem Inverkehrbringen von LIB im europäischen Markt) von Relevanz für die Zellfertigung.

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Allerdings deckt kein derzeit bestehendes Regelwerk auf Prozess- und Maschinenebene die spezifischen Brandrisiken in Verbindung mit LIB‑Zellen vollumfänglich ab. Die Risiken entstehen hier im Zusammenspiel von Maschine, Prozess und Endprodukt. Diese Tatsache verdeutlicht den Bedarf für eine risikobasierte Strategie, die Schadensausmaß, Eintrittswahrscheinlichkeit und die Möglichkeit zur Vermeidung einer Propagation berücksichtigt.

Bauliche Trennung sowie Detektions- und Löschtechnik

Ein weiterer wichtiger Hebel ist die bauliche Trennung kritischer Bereiche. Brandabschnitte begrenzen Ereignisse räumlich und helfen, die Verfügbarkeit und Redundanz der Gesamtanlage oder einzelner relevanter Fertigungsbereiche redundant zu gestalten zu sichern. Ebenso wichtig ist eine Detektions- und Löschtechnik, die auf den jeweiligen Prozess abgestimmt ist. Nur dann lassen sich Sensoren an den richtigen Stellen platzieren und Auslösewerte sinnvoll festlegen. Hinzu kommen Kalibrier- und Prüfpläne, eine verlässliche Ersatzteillogistik und ein strukturiertes Abweichungsmanagement. Auch Lagerung und Verpackung geladener Zellen verlangen besondere Sorgfalt. Wo viele Zellen über längere Zeit zusammenliegen, sollte eine räumliche Trennung ebenso gegeben sein wie eine geeignete Überwachung.

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Integrierte Sicherheitskonzepte in der LIB-Fertigung

Um die wachsende Nachfrage nach LIB-Zellen sicher zu bedienen, sollten Hersteller beim Brandschutz über klassische, gebäudebezogene Konzepte hinausgehen. Eine risikobasierte Brandschutzstrategie bezieht auch die Maschinen- und Prozesssicherheit ein und adressiert gezielt die Risiken jedes einzelnen Fertigungsschrittes. Ein solches Vorgehen schützt Mitarbeitende und Umwelt, sichert Investitionen ab und erfüllt Sicherheitsanforderungen. TÜV SÜD begleitet und unterstützt Unternehmen bei der Erstellung und Umsetzung einer risikobasierten, integrierten Brandschutzstrategie. (bs)