Lithium batterijen, we komen ze tegenwoordig elke dag tegenwoordig steeds vaker tegen. Toch zijn er een aantal problemen mee.
De belangrijkheid van batterij veiligheid
Lithium-ionbatterijen werden in de jaren 70 ontwikkeld en in 1991 voor het eerst op de markt gebracht door Sony voor de draagbare videorecorder van het bedrijf. Tegenwoordig wordt alles wat je ziet aangedreven door batterijen, van smartphones tot elektrische auto's tot zelfs het internationale ruimtestation, wat een verhoogde veiligheid van de batterij des te belangrijker maakt.
In 2008 onthulde Tesla de Roadster, waarmee het het eerste autobedrijf was dat een elektrisch voertuig op batterijen op de markt bracht. Tegen 2025 zal de wereldwijde markt voor lithium-ion (Li-ion) batterijen naar verwachting 100,4 miljard dollar bereiken, waarvan meer dan 50% voor de automobielmarkt zal worden gebruikt.
Waarom zo'n rage voor lithium-ion?
Lithium-ionbatterijen zijn populair vanwege de hoeveelheid stroom die ze kunnen leveren bij een bepaald formaat en gewicht. Een typische lithium-ionbatterij slaat 150 wattuur aan elektriciteit op in 1 kilogram batterij, vergeleken met een NiMH-batterijpakket (100 wattuur per kg) of loodzuurbatterij (25 wattuur per kg). Er is 6 kilogram nodig om dezelfde hoeveelheid energie op te slaan in een loodzuuraccu als een lithium-ionbatterij van 1 kilogram aankan.
Lithium-ionbatterijen zijn echter extreem gevoelig voor hoge temperaturen en inherent ontvlambaar. Deze accu's hebben de neiging veel sneller te degraderen dan ze normaal zouden doen, vanwege de hitte. Als een lithium-ionbatterijpak defect raakt, zal het in brand vliegen en grote schade aanrichten. Dit vraagt om onmiddellijke maatregelen en richtlijnen voor batterijveiligheid.
Onlangs zijn er een paar incidenten geweest van branden veroorzaakt door lithium-ionbatterijen. Op 8 januari 2019 zorgde zelfontbranding van een lithium-ionbatterij ervoor dat de brand uitbrak op de COSCO Pacific, een schip in de Arabische Zee, veroorzaakt door de. In april vorig jaar explodeerde een 2MW-batterij in een APS-faciliteit in Arizona, waarbij vier brandweerlieden gewond raakten.
Hans-Otto Schjerven, hoofd van de brandweer van Vestfold, zei dat oplaadbare lithiumbatterijen "moeilijk te blussen branden kunnen veroorzaken en de batterijen een vuur afgeven dat zich snel verspreidt". Naarmate de acceptatie van elektrische voertuigen groeit, zullen deze incidenten toenemen.
Voordat we analyseren waarom lithium-ionbatterijen vlam vatten, moeten we eerst begrijpen hoe ze werken.
Een lithium-ion accupakket bestaat uit in modules op elkaar gestapelde lithium-ioncellen, temperatuursensoren, spanningsaftap en een boordcomputer (Battery Management System) om de afzonderlijke cellen te beheren. Net als elke andere cel heeft de lithium-ioncel een positieve elektrode (kathode), een negatieve elektrode (anode) en een chemische stof die een elektrolyt wordt genoemd. Hoewel de anode over het algemeen is gemaakt van grafiet (koolstof), worden er verschillende lithiummaterialen gebruikt voor de kathode: lithium-kobaltoxide (LCO), lithium-nikkel-mangaan-kobalt (of NMC), enz.
Wanneer een laadstroom aan de cel wordt geleverd, verplaatsen lithiumionen zich van de kathode naar de anode door de elektrolyt. Elektronen stromen ook, maar nemen het langere pad buiten het circuit. Tijdens de ontlading vindt de tegenovergestelde beweging plaats met als gevolg dat de elektronen de applicatie waarmee de cel is verbonden van stroom voorzien.
Wanneer alle ionen zijn teruggekeerd naar de kathode, is de cel volledig ontladen en moet deze worden opgeladen.
De lithium-ioncellen zijn ontworpen met batterijveiligheidsmaatregelen zoals:
A. Drukgevoelige ontluchtingsopeningen
Batterijen staan onder druk en hebben daarom een metalen buitenwand nodig met een drukgevoelig ontluchtingsgat. Als het risico bestaat dat de batterij erg heet wordt en explodeert door overdruk (drukopbouw bij 3.000 kPa), zal deze ontluchting de extra druk wegnemen en voorkomen dat andere cellen in het batterijpakket vlam vatten.
B. Separator dient als zekering
De meeste lithium-ioncellen gebruiken een separator gemaakt van een materiaal dat bekend staat als polyolefine, dat pronkt met een goede chemische stabiliteit, uitstekende mechanische eigenschappen en betaalbaar is. Het dient als een zekering wanneer de cel opwarmt. Bij overmatige hitte, wanneer de kern 130°C (266°F) bereikt, smelt de separator waardoor het transport van ionen stopt. Deze actie sluit de cel onmiddellijk af.
Als deze voorziening niet was voorzien, zou er een mogelijkheid zijn geweest dat de warmte in de defecte cel aanleiding zou geven tot de thermische overloopdrempel en met vlam zou ontluchten.
C. Positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC)
Dit is een schakelaar die voorkomt dat de batterij oververhit raakt door deze te beschermen tegen stroompieken
Lithium-ioncellen ondergaan, zoals alle chemische stoffen, zelfontlading. Zelfontlading betekent dat de batterijen hun opgeslagen lading verliezen zonder de elektroden of het externe circuit aan te sluiten. Dit gebeurt door chemische reacties in de cel. Zelfontlading van cellen neemt toe met de leeftijd, fietsen en verhoogde temperatuur.
Verhoogde zelfontlading kan ervoor zorgen dat de temperatuur stijgt, wat, indien ongecontroleerd, kan leiden tot een Thermal Runaway, ook wel bekend als 'ontluchten met vlam'. Een milde kortsluiting veroorzaakt geen thermische landingsbaan omdat de ontladingsenergie erg laag is en er weinig warmte wordt gegenereerd.
Als echter door enige schade aan de cel onzuiverheden de cel binnendringen, kan er een grote elektrische kortsluiting ontstaan en zal er een aanzienlijke stroom vloeien tussen de positieve en negatieve platen. Er is een plotselinge temperatuurstijging en de energie die in de batterij is opgeslagen, komt binnen milliseconden vrij. Batterijpakketten bestaan uit duizenden cellen die samengepakt zijn.
Tijdens een thermische runaway kan de warmte die wordt gegenereerd door een defecte cel naar de volgende cel gaan, waardoor deze ook thermisch onstabiel wordt. Deze kettingreactie kan ervoor zorgen dat de hele verpakking binnen enkele seconden wordt vernietigd.
Nu we weten waarom lithium-ionbatterijen vlam vatten, laten we eens kijken naar enkele manieren waarop dit kan gebeuren:
A. Fabricagefouten
Door productiefouten kunnen er tijdens het fabricageproces metaaldeeltjes (onzuiverheden) in de lithium-ioncel sijpelen. Batterijfabrikanten moeten zorgen voor streng gecontroleerde cleanrooms voor de productie van batterijen.
Een ander defect zou het dunner worden van separatoren kunnen zijn, wat bij het daadwerkelijke gebruik nadelig zou kunnen zijn. Cellen moeten strenge kwaliteitscontroletests en validatie ondergaan voordat ze worden verkocht.
B. Ontwerpfouten
Autofabrikanten willen hun auto's zo strak en slank mogelijk ontwerpen en tegelijkertijd het maximale bereik en de maximale prestaties bieden. Deze vereisten dwingen fabrikanten van batterijpakketten om compacte ontwerpen te bedenken door cellen met een hoge capaciteit in een kleinere behuizing te stoppen, wat knoeit met een verder goed gebouwde batterij.
Compromis aan het ontwerp kan schade aan de elektroden of de separator veroorzaken. Beide kunnen leiden tot kortsluiting. Verder kan het ontbreken van een goed koelsysteem of ventilatie ervoor zorgen dat de batterijtemperatuur stijgt naarmate het ontvlambare elektrolyt opwarmt.
Als dit niet onder controle is, kan dit leiden tot een kettingreactie van celstoringen, waardoor de batterij nog meer opwarmt en uit de hand loopt.
C. Abnormaal of onjuist gebruik
Externe factoren, zoals de batterij dicht bij een warmtebron of in de buurt van vuur houden, kunnen ervoor zorgen dat deze explodeert. Het opzettelijk of door een ongeval binnendringen van het batterijpakket zal ongetwijfeld kortsluiting veroorzaken en de batterij vlam vatten. Daarom leidt ongeoorloofde demontage van het batterijpakket in elektrische voertuigen tot het vervallen van de garantie.
Gebruikers wordt geadviseerd om de batterijen alleen te laten controleren en repareren bij de geautoriseerde servicecentra van de autofabrikant. Zelfs opladen met hoog voltage of overmatig ontladen van de batterij kan deze beschadigen.
D. Problemen met de oplader
Het gebruik van slecht geïsoleerde opladers kan de batterij beschadigen. Als de oplader kortsluiting maakt of warmte genereert in de buurt van de batterij, kan deze voldoende schade aanrichten om een storing te veroorzaken.
Hoewel lithium-ionbatterijen ingebouwde beveiligingen hebben om te voorkomen dat ze overladen worden, kan het gebruik van niet-officiële opladers de batterij op de lange termijn beschadigen.
E. Componenten van lage kwaliteit
Naast fabricagefouten is het gebruik van componenten van lage kwaliteit een van de grootste oorzaken van batterijstoringen. Toenemende concurrentie drijft de prijzen van batterijen naar beneden, waardoor batterijfabrikanten bezuinigen waar ze dat niet zouden moeten doen. Door te beknibbelen op elektronica van slechte kwaliteit, zoals het batterijbeheersysteem, neemt het risico op batterijstoringen toe.
Het batterijbeheersysteem is van cruciaal belang voor de veiligheid en prestaties van de batterij. Het beschermt het batterijpakket tegen gebruik buiten het veilige werkgebied. Omdat batterijen een hoogwaardig onderdeel vormen van een elektrisch voertuig of energieopslagsysteem, is het essentieel om te investeren in een slim batterijbeheersysteem dat celstoringen onmiddellijk kan detecteren en voorkomen dat de batterij explodeert.
Wat te doen als een batterij vlam vat?
Als u merkt dat de lithium-ionbatterij oververhit raakt, probeert u het apparaat uit de buurt van ontvlambare materialen te houden en de stroomtoevoer af te sluiten. Als u in een elektrisch voertuig zit, moet u onmiddellijk evacueren en nooit zelf proberen om lithiumbatterijen te blussen. Uw gezondheid en veiligheid zijn veel belangrijker, bel in plaats daarvan de hulpdiensten.
In geval van brand moet een standaard ABC of BC droge chemische brandblusser worden gebruikt, aangezien deze als klasse B-brand worden beschouwd. Een veel voorkomende misvatting is dat lithium-ionbatterijen echt lithiummetaal bevatten. Dat doen ze niet en daarom mag u geen brandblusser van klasse D gebruiken.
Er zijn ook nieuwe en verbeterde methoden om lithiumbranden te blussen. De Aqueous Vermiculite Dispersion (AVD) is een brandblusmiddel dat chemisch geëxfolieerd vermiculiet in de vorm van een nevel verspreidt. Grotere lithium-ionbranden zoals die van EV's of ESS moeten echter mogelijk uitbranden. Het gebruik van water met kopermateriaal is effectief, maar kostbaar.
Experts op het gebied van batterijveiligheid adviseren om zelfs bij grote lithium-ionbranden water te gebruiken. Dergelijke branden kunnen dagenlang branden en het is belangrijk om ze te isoleren van brandbare materialen en te voorkomen dat ze uitzetten.
Zorgen voor de batterij
Bewaren op de juiste temperatuur: vermijd blootstelling van minder dan 0 ° C en meer dan 27 ° C. Vergeet niet uw batterij regelmatig op te laden: Lithium-ionbatterijen mogen, indien mogelijk, nooit volledig worden ontladen. Tijdens de wintermaanden vergeet je gemakkelijk je batterijen op te laden.
