Het gebruik van oplaadbare batterijen (accu's) is de afgelopen jaren explosief gestegen. Daarbij willen we zoveel mogelijk elektriciteit opslaan in een accu die zo klein en licht mogelijk is, en we willen deze accu ook zo snel mogelijk kunnen opladen na gebruik. Maar er zijn ook nadelen. Bij lithium-ion-batterijen kan er heftige ontbranding plaatsvinden. De gassen die vrijkomen zijn giftig.
Hoge energiedichtheid en lange levensduur lithium-ion-accu
De accutechnologie op basis van lithium (Li-Ion) is ontwikkeld om aan de hedendaagse opslageisen te voldoen. Deze lichtgewicht accu’s met een hoge energie-inhoud bieden de mogelijkheid om herhaaldelijk opgeladen te worden zonder significant verlies van kwaliteit.
Hoger brandrisico
Echter, deze Lithium Ion accu’s hebben ook een nadeel: de chemische stoffen die in de accucellen worden gebruikt, kunnen spontaan ontleden, wat resulteert in zeer hoge temperaturen en druk binnen de cel waardoor lithium-ion-accu’s brandgevaarlijk kunnen zijn. Deze ontledingsreactie wordt ‘thermal runaway’ genoemd. De Nederlandse term voor "thermal runaway" is "thermische ontsporing" of "thermisch doorslaan." Beide termen worden gebruikt om het fenomeen te beschrijven waarbij de temperatuur in een accucel ongecontroleerd en exponentieel stijgt, met potentieel ernstige gevolgen zoals brand of explosie. Eenmaal gestart, kan deze reactie niet meer worden gestopt en zal de volledige inhoud van de cel verbranden. Hierdoor vormen dit soort batterijen en accu’s een groot brandrisico.
Thermal runaway is een fenomeen dat optreedt wanneer de temperatuur van een systeem onbeheersbaar stijgt. Dit ‘thermische op hol slaan’ komt vaak voor in situaties waarin de warmteontwikkeling sneller gaat dan het vermogen van het systeem om warmte af te voeren.
Ontstaan thermal runaway
Lithium-ion-accu’s bevatten geen lithium in de vorm van het metaal lithium, maar chemicaliën (zouten of polymeren) die lithium bevatten. Deze chemicaliën kunnen ontleden door te hoge laadstroom, door te grote ontlading, door mechanische beschadigingen of door blootstelling aan hoge temperaturen. Bij een brand in een lithium-ion-accucel komt veel energie vrij. De vrijkomende hitte zorgt ervoor dat een steeds groter deel van de celinhoud gaat ontleden en dit kan zelfs in naastliggende cellen een ontledingsreactie veroorzaken. Dit is de thermal runaway. Als de druk en temperatuur in de accucel hoog oplopen, barst de cel open en worden brandende delen weggeslingerd. Hierdoor kan gemakkelijk een enorme brand ontstaan, of zelfs explosies. Het is belangrijk op te merken dat hoewel thermische runaway een bekend fenomeen is, specifieke details kunnen variëren, afhankelijk van de context waarin het wordt besproken, zoals batterijen, chemische reacties of industriële processen.
Deze video toont de explosieve kracht van een thermal runaway van een lithium-batterij
Blussen niet mogelijk
Thermal runaway is een belangrijk aandachtspunt in sectoren die grootschalige batterijsystemen gebruiken, zoals in elektrische voertuigen en energieopslagsystemen, maar ook in afvalverwerkingsbedrijven. Er zijn op dit moment geen blusstoffen bekend die de ontledingsreactie in een lithium-ion-cel kunnen stoppen. Blussen van de brandende cel is daarom niet mogelijk. Het allerbelangrijkste is het koelen van de beschadigde cel, zodat de thermal runaway beperkt blijft tot die ene cel. Daarnaast moeten andere brandende materialen snel en blijvend gedoofd worden zodat de brand zich niet verder uitbreidt.
Thermal runaway voorkomen
Maar voorkomen is natuurlijk altijd beter dan genezen. Daarom gebruiken fabrikanten en onderzoekers verschillende technieken om het risico op een thermal runaway te verminderen, zoals het implementeren van thermische beheerssystemen, het gebruiken van geavanceerde batterijchemie, het implementeren van veiligheidsvoorzieningen zoals thermische sensoren en uitschakelmechanismen, en het ontwikkelen van robuuste batterijbeheersystemen om de batterijtemperatuur te monitoren en te regelen.
Batterijbranden worden aangewakkerd door brandbare gassen die vrijkomen tijdens de thermal runaway. Door deze tijdig te detecteren, kunnen noodzakelijke maatregelen worden geactiveerd.
Vroegtijdige detectie
Daarnaast kan een vroegtijdige betrouwbare detectie uitkomst bieden. Uit studies is gebleken dat de branden worden aangewakkerd door de brandbare gassen die vrijkomen uit de batterijen vlak voor de thermal runaway (deze fase wordt ook wel off-gassing genoemd). Door deze stoffen vroegtijdig in het proces te detecteren, kan er meteen een alarm volgen en kunnen noodzakelijke maatregelen automatisch worden geactiveerd. Off-gassing zal tussen de 2 en 30 minuten voor de thermal runaway plaatsvinden. Door het opladen op tijd te stoppen, zal de batterij niet verder opwarmen en voorkom je de thermal runaway. De tijdspanne tussen off-gassing van de batterij en de thermal runaway wordt mede bepaald door de hoeveelheid laadcylcussen van de batterij per uur.
MPS-sensor
De NevadaNano MPS-sensor (Molecular Property Spectrometer) die door fabrikant Crowcon Detection Instruments wordt toegepast in hun Xgard Bright stationaire gasdetector, is in staat om de brandbare gassen die vrijkomen bij het ontstaan van een thermal runaway te detecteren. Hierdoor kan er tijdig worden ingegrepen en worden rampzalige gevolgen voorkomen. Met de MPS-sensor detecteer je DMC (dimethyl carbonate) en EMC (ethyl methyl carbonate) die vrijkomen voordat een thermal runaway heeft plaatsgevonden. Dit in tegenstelling tot waterstofdetectie waarmee je bij de thermal runaway te laat zult zijn.
Crowcon wil in samenwerking met Bureau Veritas de MPS-sensor nader gaan onderzoeken voor het gebruik bij de beveiliging tegen accubranden. Hierbij zal metname de response tijd van de MPS-sensor op DMC / EMC nader onderzocht worden. Uiteraard volg ik deze ontwikkelingen op de voet.
Webinar terugkijken
Op 17 november 2023 heb ik samen met Edward Heitlager (gasdetectiespecialist bij Crowcon Detection Instruments) een webinar gegeven over hoe je met behulp van de MPS-sensor vroegtijdige detectie van offgassing mogelijk maakt en ontbranding van oplaadbare batterijen een stap voor bent. Zo worden potentiële gevaren bij het gebruik en/of opslag van lithium-ion-accu’s geminimaliseerd.
