Blog: Batterijveiligheid: laten we de kou uit de lucht halen

21 februari 2023

Waarnemen is belangrijk, maar snappen wat je wel en niet ziet is nog veel belangrijker, bloggen lector Energie- en transportveiligheid Nils Rosmuller en onderzoeker Henk Brans.

De afgelopen dagen was het afwisselend wat warm en soms aan de koele kant: het lenteweer lijkt er aan te komen. Los van het humeur van sommige mensen bij koud weer (of juist warm weer) heeft de temperatuur ook impact op het functioneren van de li-ion batterij.

De faalmechanismen bij li-ion batterijen als gevolg van oververhitting zijn bekend: naast de mechanische en elektrische faaloorzaken, is thermische (over)belasting één van de drie hoofdoorzaken van het falen van li-ion batterijen.

Er wordt bij thermische (over)belasting vaak gedacht aan hoge temperaturen, als gevolg van bijvoorbeeld externe branden of de thermal runaway. Maar ook kou kan leiden tot het (vermeend) falen van de li-ion batterij. Wij gebruiken hier het woord ‘vermeend’ niet voor niets. Want er blijken vanwege de kou ook effecten op te treden die het doen lijken alsof de batterij faalt, maar schijn bedriegt. Hoe zit dat precies?

Condensatie bij het laden van een Tesla

Op donderdag 16 februari 2023 kwam, in de vroege ochtend, bij Veiligheidsregio Haaglanden een melding binnen van een ‘dampende’ Tesla. De Tesla stond aan de laadpaal, een supercharger. Het had die nacht gevroren en de temperatuur was nog altijd onder het vriespunt. Onder de Tesla kwamen kleine dampwolkjes vandaan, wat mogelijk een indicatie is voor een instabiel batterijpakket in de Tesla.

De damphoeveelheid intensiveerde niet. Het idee van een brand of thermal runaway viel daarmee eigenlijk weg. Navraag bij Tesla door de veiligheidsregio leert dat een Tesla die bij koud weer geladen wordt aan een supercharger damp kan afgeven aan de voorzijde van de auto.

Dit is dus niet het gevolg van brand, maar een effect van het snelladen bij koud weer. Het Tesla-batterijpakket heeft een verwarmingselement dat in werking gaat bij kou, waardoor vocht aan de buitenzijde van het pakket condenseert en tot kleine dampwolkjes kan leiden.

Het is dus belangrijk om te weten dat dit mechanisme zich afspeelt bij kou: het scheelt veel onrust!  Wat je ziet, is dus niet altijd wat je denkt te zien. In dit geval was er geen sprake van brand: schijn bedriegt.

Plating bij e-bikes

Er worden steeds meer e-bikes verkocht. Consumenten trekken er op uit, maar zijn zich niet altijd bewust van mogelijke schade aan de batterij van hun e-bike door… koude temperaturen!

Het opladen van li-ion batterijen bij temperaturen onder het vriespunt kan schade toebrengen aan de batterijcellen. Hoewel van buitenaf de batterij normaal lijkt op te laden onder 0 °C, tonen experimenten aan dat het inwendige van de batterijcellen degradeert. Als gevolg hiervan is een afname in prestaties waar te nemen en kan op termijn ook de veiligheid afnemen.

De negatieve effecten zijn nog sterker bij een grotere laadstroom en dus wordt snelladen, door middel van een hogere laadstroom, bij lage temperaturen in het bijzonder afgeraden (Buchmann, 2022; Ouyang et al. 2019). Het opladen van batterijen bij temperaturen onder het vriespunt kan permanente schade toebrengen aan de batterijcellen. De optimale gebruikstemperatuur voor opladen en ontladen ligt tussen de 15 en 35 °C (Ma et al. 2018).

Theorie

De afgenomen capaciteit en prestaties worden verklaard door het feit dat de ionische geleidbaarheid van materialen afneemt als de temperatuur daalt. In batterijen wordt dit met name waarneembaar bij temperaturen onder de 0 °C. Lithiumionen worden dan minder makkelijk doorgelaten, waardoor de batterij minder goed werkt. Bovendien leidt dit tot een hogere interne weerstand van de batterij. Hierdoor nemen de prestaties en capaciteit zowel tijdens opladen als ontladen af bij temperaturen onder het vriespunt (Ma et al. 2018).

Hoewel de batterij door een verhoogde interne weerstand ook enigszins opwarmt, is dit onvoldoende om hiervoor te compenseren. Voor wat betreft het ontladen wordt geschreven dat de afgenomen capaciteit alleen van toepassing is bij lage temperaturen en weer wordt hersteld bij een kamertemperatuur rond de 20 °C (Buchmann, 2022).

Plating leidt tot permanente degradatie van batterij

Het opladen van batterijen bij temperaturen onder het vriespunt kan echter wel permanente degradatie van de batterijcel veroorzaken. Dit komt doordat de efficiëntie van de elektrochemische reacties, die plaatsvinden tijdens het opladen, lager is onder het vriespunt. Hierdoor worden de lithiumionen tijdens het opladen bij lage temperaturen als het ware geforceerd. Dit houdt in dat een aantal lithiumionen niet wordt opgenomen in de anode, maar vast blijven kleven op het oppervlak ervan en een laagje lithiummetaal op de anode vormen. Dit wordt plating genoemd en is schematisch weergegeven in de figuur. Het afgezette lithiummetaal is hier in het donkerblauw weergegeven. Plating leidt tot permanente degradatie van de batterij (Petzl, 2015). Hoe hoger de laadstroom, hoe sterker ongewenste plating optreedt.

Aanbevelingen

• Laad een elektrische fiets en scooter op bij een omgevingstemperatuur tussen de 0 en 45 °C.
• Laad ’s winters enkel op als de temperatuur in de schuur (of iets dergelijks) boven de 0 °C is. Als dat niet kan, laad dan binnen op maar blijf in de ruimte gedurende het laden en controleer regelmatig of de accu en de lader niet te warm worden. Als dat wel het geval is, stop het laden en breng de accu en lader naar buiten. 
• Zorg bij het gebruik van een snellader, met hogere laadstroom, voor een minimale omgevingstemperatuur van 5 °C. Houd rekening met een lager bereik van elektrische fiets, scooter en auto op koude winterdagen.

Lees ook de 10 tips op de website van de brandweer om veilig op te laden.

Weet wat je ziet, deel wat je weet!

Zowel bij het condensatiemechanisme als bij het platingmechanisme is de batterijveiligheid in het geding. Bij het Tesla-condensatievoorbeeld zie je damp, maar feitelijk is er niets aan de hand. Bij het e-bike-plating-mechanisme zie je geen schade, maar feitelijk is hier het gevaar wel degelijk in ontwikkeling (1). De crux is kennis. Waarnemen is belangrijk, maar snappen wat je wel en niet ziet nog veel belangrijker. En dat vraagt om kennis en het delen (2) en toepassen van die kennis. In winter, de zomer, het hele jaar door.

Lector Energie- en transportveiligheid Nils Rosmuller en onderzoeker Henk Brans