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Die Erfindung betrifft ein Lagerungssystem zur Lagerung von Lithium-Batterien, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Lithium-Batterien bzw. Lithium-Akkumulatoren, nachfolgend einheitlich als Lithium-Batterien bezeichnet, werden von den zuständigen Behörden insbesondere aufgrund der enthaltenen organischen Lösungsmittel und Lithium-Fluorverbindungen brandschutztechnisch als Brandlast mit erheblichem Gefährdungspotenzial eingestuft. Weiterhin neigen Lithium-Batterien aufgrund ihrer hohen spezifischen Energiedichte bei Defekten bzw. bei hohen Umgebungstemperaturen zur Selbstentzündung.
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Mit diesem Hintergrund hat beispielsweise der deutsche Verband der Sachversicherer Vorschriften erlassen, anhand welcher die Sicherheit bei der Lagerung von Lithium-Batterien zu gewährleisten ist, unter anderem mittels Einhaltung bestimmter, vorgeschriebener Sicherheitsabstände bzw. Einrichtung von Freistreifen gegenüber gelagerten Lithium-Batterien von bis zu 5m in Arbeitsräumen, oder durch eine feuerbeständige Trennung und Separatlagerung der Lithium-Batterien, vgl. beispielsweise Merkblatt der Sachversicherer VdS 3102-(2) Ausgabe 2016.
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Die Umsetzung derartiger Sicherheitsabstände ist in der Praxis jedoch aufgrund beengter räumlicher Verhältnisse oft kaum möglich. Aus diesem Grund werden zur brandschutztechnisch vorgeschriebenen Separierung von Lithium-Batterien häufig Sicherheitsschränke beispielsweise gem. EN DIN 14470-1 eingesetzt. Derartige handelsübliche Sicherheitsschränke bieten zwar zunächst eine definierte und geprüfte Feuerwiderstandsfähigkeit bzw. sog. Typprüfzeit, anhand einer herstellerseitigen Gewährleistung entsprechender Widerstandszeiten des Sicherheitsschranks im Brandfall. So wird der Inhalt derartiger Schränke für eine Brand-Zeitdauer von beispielsweise 30 Minuten, 60 Minuten bzw. 90 Minuten bei den Typen „30“, „60“ bzw. „90“ vor dem Überschreiten bestimmter, unzulässiger Temperaturen geschützt, bzw. die Schutzwirkung des Sicherheitsschranks ist für eine dementsprechende Zeitdauer gewährleistet.
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Dies gilt - auch anhand der amtlichen Prüfszenarien - jedoch nur für einen Brand von außen nach innen, mit anderen Worten für einen Brand im Umfeld des Sicherheitsschranks, wobei der Brand ausschließlich von außen auf den Sicherheitsschrank einwirkt. Weiterhin liegt die bis zum Ablauf der Typprüfzeit maximal erreichte und noch erlaubte Prüftemperatur im Inneren des Schrankes gemäß der amtlichen Prüfszenarien bei Raumtemperatur + 180°K. Es sind mit anderen Worten bei Ablauf der Typprüfzeit Schrank-Innentemperaturen bis zu etwa 200°C zu erwarten und zulässig.
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Die kritischen Temperaturen von Lithium-Batterien, bei denen sich diese selbst entzünden können, liegen allerdings bereits im Bereich von ca. 125° bis 130°C. Dies bedeutet jedoch, dass die oben genannten, genormten Sicherheitsschränke bei genauerer Betrachtung nicht zur Lagerung von Lithium-Batterien geeignet sind insofern, als die jeweilige Typprüfzeit, die den Schrank lt. Herstellerangaben auszeichnet, im Falle der Lagerung von Lithium-Batterien in einem derartigen Schrank gar nicht erreicht wird.
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Vielmehr ist in einem solchen Fall damit zu rechnen, dass im typischen Brandfall, also bei Außenbrand im Umfeld des Schrankes, bereits deutlich vor Ablauf der angegebenen Typprüfzeit des jeweiligen Schrankes die Schrank-Innentemperaturen die kritischen Temperaturen der darin gelagerten Lithium-Batterien überschreiten, wonach mit einer Selbstentzündung der Lithium-Batterien im Schrank gerechnet werden muss. Da der Schrank in einem derartigen Brandfall der darin gelagerten Lithium-Batterien dann sowohl durch den Außenbrand als auch sukzessive zusätzlich durch den Innenbrand der Batterien belastet und erhitzt wird, ist mit einem umso schnelleren Versagen des Schrankes zu rechnen, mit entsprechenden, potenziell gefährlichen Folgen für die Umgebung, insbesondere für die umgebenden Räumlichkeiten sowie für die sich darin aufhaltenden Personen.
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Hinsichtlich der Personen, die sich in der Nähe des Sicherheitsschranks oder in demselben Raum aufhalten, in welchem sich der Sicherheitsschrank befindet, ist dies insbesondere insofern von Bedeutung, als die jeweiligen Typprüfzeiten, also beispielsweise die 30, 60 oder 90 Minuten Feuerwiderstandsfähigkeit des Sicherheitsschranks, üblicherweise auch zur Definition und Gewährleistung der zur Verfügung stehenden Fluchtzeiten, beispielsweise für Betriebspersonal, herangezogen werden. Mit anderen Worten geht der Käufer bzw. Nutzer eines derartigen Sicherheitsschranks davon aus, und darf auch davon ausgehen, dass der Sicherheitsschrank dem Betriebspersonal eine Fluchtzeit ermöglicht, welche der vom Hersteller angegebenen Typprüfzeit des Schrankes entspricht. Es darf mit anderen Worten davon ausgegangen werden, dass beispielsweise etwaige im Schrank gelagerte Stoffe mit Potenzial zur Gesundheitsgefährdung allenfalls nach Ablauf der Typprüfzeit, und damit Fluchtzeit, aus dem Schrank austreten können.
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Sobald jedoch insbesondere Lithium-Batterien in einem derartigen Sicherheitsschrank gelagert werden, ist aufgrund der oben dargelegten Zusammenhänge davon auszugehen, dass der Schrank im Brandfall seine Typprüfzeit nicht erreichen wird, und dass somit auch die Fluchtzeiten für das Betriebspersonal nicht bzw. nur entsprechend verkürzt zur Verfügung stehen.
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Bei Lagerung von Lithium-Batterien in derartigen genormten Sicherheitsschränken ist mit anderen Worten davon auszugehen, dass bereits wesentlich vor dem Ablauf der Typprüfzeit mit dem Austritt von gesundheitsschädlichen und/oder brandfördernden Stoffen aus dem Schrank gerechnet werden muss.
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Mit diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lagerungssystem zur Lagerung von Lithium-Batterien in einem Sicherheitsschrank, bzw. in einer Schrankvorrichtung mit definierter Feuerwiderstandsfähigkeit, sowie einen entsprechenden Sicherheitsschrank bereitzustellen dergestalt, dass die vorstehend dargelegten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Mit der Erfindung soll dabei insbesondere gewährleistet werden, dass die Typprüfzeiten marktüblicher, genormter Sicherheitsschränke im Fall von Außenbrand auch dann erreicht werden, wenn Lithium-Batterien in den jeweiligen Sicherheitsschränken gelagert werden, und wenn diese, zusätzlich zu bzw. ausgelöst durch einem Außenbrand, im Schrank ggf. in Brand geraten.
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Ein angestrebter Anwendungsbereich von besonderer Bedeutung liegt dabei auch in der Nachrüstung bereits bestehender Lagersysteme bzw. Sicherheitsschränke, so dass Lithium-Batterien darin vorschriftsgemäß gelagert werden können, ohne dass die Gefahr besteht, dass Typprüfzeiten bzw. Fluchtzeiten nicht mehr erreicht werden, aufgrunddessen womöglich das gesamte Lagersystem bzw. der Sicherheitsschrank ausgetauscht werden müsste.
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Diese Aufgabe wird durch ein Lagerungssystem nach der Lehre des Anspruchs 1 bzw. durch eine Schrankvorrichtung nach der Lehre des Anspruchs 9 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Lagerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung dient der Lagerung zumindest einer Lithium-Batterie in einer Schrankvorrichtung, konkret beispielsweise in einem Sicherheitsschrank, wobei die Schrankvorrichtung bzw. der Sicherheitsschrank eine gemäß der bestehenden amtlichen Prüfszenarien definierte Feuerwiderstandsfähigkeit bzw. Typprüfzeit für Außenbrand aufweist.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich das Lagerungssystem dabei aus durch zumindest eine in der Schrankvorrichtung angeordnete Einrichtung zur Eindämmung eines Brandes der zumindest einen Lithium-Batterie, also eines Innenbrandes des Schranks, mittels additiver Kombination von Isolation des Brandes gegenüber Luftsauerstoff, Entzug von Wärme aus dem Brand, sowie Adsorption von Brand-Reaktionspartnern.
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Hierzu umfasst die erfindungsgemäße Einrichtung zur Innenbrand-Eindämmung ein als Feststoff-Fluid ausgeführtes Adsorptionsmittel, welches eine spezifische Oberfläche aufweist, die größer ist als 100 m2 pro Gramm Feststoff-Fluid. Die Anmelderin hat die Erkenntnis gewonnen, dass genau mit der vorgenannten Merkmalskombination des erfindungsgemäßen Lagerungssystems die Typprüfzeit der Schrankvorrichtung auch bei Außenbrand und gleichzeitigem Innenbrand der zumindest einen Lithium-Batterie erreicht wird.
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Die Erfindung wird dabei zunächst einmal unabhängig davon verwirklicht, wie die zumindest eine Brand-Eindämmungseinrichtung konstruktiv ausgebildet ist, solange das als Feststoff-Fluid ausgeführte Adsorptionsmittel in der Eindämmungseinrichtung so aufnehmbar ist, dass dessen additive Brandeindämmung in Form von Sauerstoffisolation, Wärmeentzug und Adsorption im Bereich des Innenbrands in dem Sicherheitsschrank zur Wirkung gebracht werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Eindämmungseinrichtung dabei als Generatoreinrichtung zur Freisetzung und Einleitung von Adsorptionsmittel in den Lagerbereich der zumindest einen Lithium-Batterie, in welchem sich die Lithium-Batterie in dem Sicherheitsschrank befindet, ausgebildet.
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Bei dieser Ausführungsform kann die zumindest eine Lithium-Batterie mit anderen Worten ohne zusätzliche Umhüllung in den Lagerschrank eingelegt werden. Im Brandfall der Lithium-Batterie, bzw. beim Überschreiten der kritischen Temperatur im Inneren des Sicherheitsschranks, wird die Generatoreinrichtung beispielsweise über einen im Schrankinneren angeordneten Brand- bzw. Temperatursensor ausgelöst, woraufhin eine Menge des vorbezeichneten Adsorptionsmittels aus der Generatoreinrichtung freigesetzt werden und zur Brandeindämmung in den Lagerbereich der zumindest einen Lithium-Batterie, bzw. in den Brandbereich, geleitet werden kann.
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Eine hierzu alternative bzw. zusätzliche Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Eindämmungseinrichtung als Lagerbehälter zur Aufnahme der Lithium-Batterie ausgebildet ist dergestalt, dass die Lithium-Batterie im Lagerbehälter mit dem vorbezeichneten Adsorptionsmittel zumindest bereichsweise umhüllbar ist. Bei dieser Ausführungsform liegt die Eindämmungseinrichtung mit anderen Worten in modularer Form als Lagerbehälter bzw. -Box vor, welche in den Sicherheitsschrank eingelegt werden kann, wobei der Lagerbehälter so ausgebildet ist, dass dieser sowohl zumindest eine Lithium-Batterie als auch eine Menge des Adsorptionsmittels aufnehmen kann.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Lagerungssystem sowohl zumindest eine als Lagerbehälter ausgebildete Eindämmungseinrichtung als auch zumindest eine als Generatoreinrichtung ausgebildete Eindämmungseinrichtung aufweist. Diese Ausführungsform ermöglicht es mit anderen Worten, Lithium-Batterien im Sicherheitsschrank wahlweise in einer als Lagerbehälter ausgebildeten Eindämmungseinrichtung, oder unmittelbar im Sicherheitsschrank ohne weitere Umhüllung lagern zu können. Auch können auf diese Weise sowohl Lithium-Batterien in einem Lagerbehälter als auch gleichzeitig weitere Lithium-Batterien ohne zusätzliche Umhüllung in ein und demselben Sicherheitsschrank gelagert werden.
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Bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen zumindest eine Eindämmungseinrichtung als Lagerbehälter ausgebildet ist, liegt das Adsorptionsmittel besonders bevorzugt in Form von Folienkissen oder -Beuteln vor, die im Lagerbehälter anordenbar sind. Auf diese Weise ergibt sich eine säuberliche und einfache Handhabung des Adsorptionsmittels, wobei das Adsorptionsmittel nur dann tatsächlich freigesetzt wird, beispielsweise durch Schmelzen der Kissen- bzw. Beutelwandung, wenn ein Brand der Lithium-Batterie droht bzw. vorliegt.
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Der Lagerbehälter ist dabei vorzugsweise durch eine Box mit Deckel gebildet, wobei der Deckel besonders bevorzugt mittels einer am Lagerbehälter vorhandenen Spannvorrichtung, beispielsweise mit einem Spanngurt, fest auf die Box pressbar ist. Auf diese Weise lässt sich der Lagerbehälter auf einfache und wirksame Weise fest verschließen, insbesondere auch für den Fall, dass bei einem Brand einer in dem Lagerbehälter enthaltenen Lithium-Batterie in kurzer Zeit erhebliche Gasmengen freigesetzt werden sollten, was zu einem entsprechenden Überdruck in dem Lagerbehälter führen kann.
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Weiterhin wird die Erfindung prinzipiell unabhängig davon verwirklicht, welches (erfindungsgemäß als Feststoff-Fluid mit den vorbezeichneten Eigenschaften vorliegende) Adsorptionsmittel zum Einsatz kommt, solange eine additive Brandeindämmungswirkung des Adsorptionsmittels in Form der Kombination von Sauerstoffisolation, Wärmeentzug und Adsorption von Brand-Reaktionspartnern gegeben ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt als Adsorptionsmittel ein im Wesentlichen aus offenporigen Glasschaum-Partikeln bestehendes Feststoff-Fluid zum Einsatz.
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Ein derartiges Feststoff-Fluid ist zunächst einmal vorteilhaft insofern, als es eine besonders geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und somit nicht zu einem unerwünschten Stromfluss beiträgt, weder im Brandfall noch bei der normalen Lagerung der Lithium-Batterien. Weiterhin führt die dichte Kugelpackung, welche bei dieser Ausführungsform durch die Glasschaum-Partikel des Adsorptionsmittels gebildet wird, dazu, dass der Stofftransport sowohl flüssiger als auch gasförmiger Stoffe im Bereich der Lithium-Batterie wesentlich gehemmt wird, wodurch die Entstehung zündfähiger Gemische, insbesondere nach einem Überschreiten der kritischen Temperatur der Lithium-Batterie, unterbunden bzw. wirksam gebremst wird. Auf die gleiche Weise wird der Zustrom von Luftsauerstoff zu einem etwaigen Brand der Lithium-Batterie unterbunden bzw. abgebremst. Hierzu trägt insbesondere auch die raue und extrem zerklüftete äußere ebenso wie innere Oberfläche der Glasschaum-Partikel bei, welche erfindungsgemäß eine Größe von mehr als 100 m2 pro Gramm des Adsorptionsmittels aufweist.
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Weiterhin weist das als Glasschaum-Partikel ausgeführte Feststoff-Fluid bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine erhebliche spezifische Wärmekapazität auf, wodurch die Temperatur etwaiger aus der Lithium-Batterie im Überhitzungs- bzw. Brandfall austretender Flüssigkeiten bzw. Dämpfe oder Gase entsprechend stark reduziert, und eine Selbstentzündung somit verhindert oder zumindest verzögert wird.
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Aufgrund der extrem großen inneren Oberfläche des Adsorptionsmittels werden derartige Flüssigkeiten, Dämpfe bzw. Gase zudem in hohem Maße durch das Adsorptionsmittel aufgenommen bzw. an der enorm großen inneren Oberfläche adsorbiert, so dass diese Flüssigkeiten, Dämpfe bzw. Gase ebenso nicht mehr zur Entstehung bzw. weiteren Nahrung eines etwaigen Brandes zur Verfügung stehen.
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Durch die damit insgesamt gegebene Unterbindung oder zumindest erhebliche Verzögerung bzw. Eindämmung eines Brandes der Lithium-Batterie wird zudem verhindert, dass der Brand sich auf weitere in der Nähe der Lithium-Batterien befindliche Stoffe bzw. Objekte, insbesondere auf weitere Lithium-Batterien ausbreitet.
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Gemäß einer weiteren, gegenüber der vorbeschriebenen Ausführungsform alternativen Ausführungsform liegt das Adsorptionsmittel als Feststoff-Fluid im Wesentlichen aus Hydrogencarbonat-Partikeln vor, beispielsweise Kaliumhydrogencarbonat-Partikeln, mit einer bevorzugten Partikelgröße zwischen 0,5 und 2,5 µm, so dass sich auch bei dieser Ausführungsform die geforderte spezifische Oberfläche von mehr als 100 m2 pro Gramm des Feststoff-Fluids ergibt. Ein derartiges Feststoff-Fluid im wesentlichen aus feinsten Hydrogencarbonat-Partikeln ist zunächst einmal vorteilhaft insofern, als es sich im Brandfall endotherm zu Carbonat, beispielsweise Kaliumcarbonat, sowie zu Wasserdampf und CO2 zersetzt.
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Dies bedeutet, dass dem Brand aufgrund dieser endothermen Reaktion des Feststoff-Fluids Energie in wesentlichem Umfang entzogen wird. Das durch die endotherme Reaktion aus dem vorbezeichneten Feststoff-Fluid gebildete Carbonat liegt zudem ebenso wieder in feinst verteilter Form vor. Dies sowie die molekularen Eigenschaften des Carbonats, die insbesondere in der vorliegenden feinst verteilten Form mit der dadurch gebildeten extrem großen spezifischen Oberfläche zum Tragen kommen, führen dazu, dass in dem Brand vorhandene, reaktionsfreudige freie Radikale an die Carbonat-Partikel gebunden und somit dem Brand entzogen werden.
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Schließlich führt auch bei dieser Ausführungsform das im Bereich der Lithium-Batterie und damit des etwaigen Brandes angeordnete bzw. ausgebrachte Adsorptionsmittel dazu, dass der Zutritt von Luftsauerstoff zum Brandherd unterbunden bzw. zumindest entscheidend gebremst wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schrankvorrichtung mit definierter Feuerwiderstandsfähigkeit bzw. Typprüfzeit für Außenbrand, die sich erfindungsgemäß durch ein in der Schrankvorrichtung angeordnetes oder anordenbares Lagerungssystem mit einer Brand-Eindämmungseinrichtung, wie vorstehend beschrieben, auszeichnet.
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Die erfindungsgemäße Schrankvorrichtung, die beispielsweise auf einem handelsüblichen Sicherheitsschrank mit vom Hersteller angegebener spezifischer Typprüfzeit für Außenbrand basieren kann, ist vorteilhaft insofern, als die angegeben Außenbrand-Typprüfzeit des Sicherheitsschranks - und damit insbesondere auch die Fluchtzeit für die in der Umgebung befindlichen Personen - dank der Erfindung auch für den Fall erreicht wird, dass im Bereich des Sicherheitsschranks ein Außenbrand, und nahezu gleichzeitig im Inneren des Sicherheitsschranks ein Innenbrand, beispielsweise einer Lithium-Batterie, vorliegt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige
- 1 in höchst schematischer Darstellung eine Schrankvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Lagerungssystem.
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In der 1 erkennt man zunächst einen höchst schematisch dargestellten Sicherheitsschrank 1, wobei der Sicherheitsschrank 1 zur Erkennbarkeit des Inhalts mit geöffneten Türen 2 dargestellt ist. Der Sicherheitsschrank 1 weist zumindest einen Einlegeboden 3 auf, auf welchem sich insbesondere Lithium-Batterien 4, 4' oder Lagerbehälter 5 ablegen lassen.
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In der Darstellung der 1 ist sowohl eine Variante „A“ des erfindungsgemäßen Lagerungssystems dargestellt, bei der die Eindämmungseinrichtung als Lagerbehälter 5 für darin einlegbare Lithium-Batterien 4 ausgebildet ist; als auch eine weitere Variante „B“, bei der die Eindämmungseinrichtung als Generatoreinrichtung 6 für offen im Sicherheitsschrank 1 gelagerte Lithium-Batterien 4' vorliegt.
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Dabei ist die in dem Lagerbehälter 5 angeordnete Lithium-Batterie 4 bei der dargestellten Ausführungsform in Variante „A“ mit einem Adsorptionsmittel 7 in Form eines Feststoff-Fluids 7 umhüllt bzw. abgedeckt. Bei dem Adsorptionsmittel 7 handelt es sich im Fall der Variante „A“ bevorzugt um ein aus Glasschaum-Partikeln bestehendes Feststoff-Fluid, welches im Fall des Austritts von Flüssigkeiten, Gasen oder Dämpfen aus der Lithium-Batterie 4, insbesondere jedoch im Brandfall der Lithium-Batterie 4, mittels der additiven Effekte „Sauerstoffisolation“, „Wärmeentzug“ und „Adsorption von Brand-Reaktionspartnern“ in Wirkung tritt wie weiter oben beschrieben, und welches somit die Brandentstehung unterbindet oder verzögert, bzw. einen etwa entstandenen Brand eindämmt und erstickt.
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Bei der Variante „A“ ergibt sich ein zusätzlicher Faktor hinsichtlich der Erreichung der Typprüfzeit des Sicherheitsschranks insofern, als das die Lithium-Batterie umgebende Adsorptionsmittel 7 eine zusätzliche erhebliche Wärmeisolationswirkung aufweist, wodurch sich das Erreichen der kritischen Temperatur und die mögliche Selbstentzündung der Lithium-Batterie somit entsprechend weiter hinauszögert.
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Das Adsorptionsmittel kann dabei im Fall der Variante „A“ insbesondere auch in Beuteln oder Kissen aufgenommen sein, welche vorzugsweise im Bereich der Innenoberflächen des Lagerbehälters sowie um die Lithium-Batterie 4 herum positioniert werden, im Unterschied zur Darstellung der 1 ggf. auch unterhalb der Lithium-Batterie 4.
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Bei der in 1 ebenfalls ersichtlichen Variante „B“ liegt die Eindämmungseinrichtung als Generatoreinrichtung 6 vor. Die Generatoreinrichtung 6 ist dabei beispielsweise mittels eines im Inneren des Sicherheitsschranks 1 angeordneten Temperatursensors auslösbar, wodurch in der Generatoreinrichtung 6 enthaltenes Adsorptionsmittel 8 in Form eines Feststoff-Fluids freigesetzt und in den Bereich der Lithium-Batterie 4' entladen wird. Bei der Variante „B“ liegt das Adsorptionsmittel 8 vorzugsweise in Form von eines Feststoff-Fluids im Wesentlichen aus Hydrogencarbonat-Partikeln vor.
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Auf diese Weise können bei der Variante „B“ in dem Sicherheitsschrank 1 somit auch Lithium-Batterien 4' ohne zusätzliche Umhüllung gelagert werden, insbesondere durch unmittelbares Auflegen auf einen Einlegeboden 3. Dies erlaubt beispielsweise auch die Durchführung von Spannungsmessungen oder das Laden der Lithium-Batterien 4' während der Lagerung.
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Dabei wird dank der Erfindung die Typprüfzeit des Sicherheitsschranks 1 trotz der offenen Lagerung der Lithium-Batterien 4' unverändert erreicht auch für den Fall, dass zusätzlich zum Schrank-Außenbrand auch ein Schrank-Innenbrand der Lithium-Batterien 4' auftritt.
