Onderzoek naar brandeffecten lithiumionbatterijen
25 april 2024
Oplaadbare lithiumionbatterijen worden steeds vaker toegepast. Aan het gebruik van deze batterijen zitten risico’s. Het NIPV heeft onderzocht wat de fysische effecten van een lithiumionbatterijbrand zijn. En wat de brandkenmerken en de gevolgen daarvan zijn.
Eerder onderzoek heeft aangetoond dat een thermal runaway het voornaamste gevaar van een lithiumionbatterij is. De gevolgen van een thermal runaway zijn een batterijbrand met fakkels en wegschietende celonderdelen. Dit onderzoek biedt een overzicht van wat er in de literatuur bekend is over deze effecten, hun grootte en invloed op de omgeving. Naast deze effecten komen er ook toxische en brandbare gassen vrij en is er een explosiegevaar bij batterijbranden.
Verband tussen capaciteit batterijpakket, maximaal vermogen en hoeveelheid warmte
Uit literatuurdata blijkt dat het maximale vermogen en de totale hoeveelheid warmte van een batterijbrand toenemen met de toenemende capaciteit van een batterijpakket. Op basis van een in de literatuur afgeleid mathematisch verband kan hieruit worden afgeleid dat het maximale brandvermogen en de verbrandingswarmte van een batterijbrand van een thuisbatterij van 10-20 kWh vergelijkbaar zijn met een brandend meubelstuk, zoals een stoel. Bedenk wel, een batterijbrand kan langer aanhouden dan een meubelbrand en kan met tussenpozen weer oplaaien. Daarnaast is het verloop van een batterijbrand door deze fakkels onvoorspelbaarder.
Lengte van de fakkel is afhankelijk van het aantal cellen dat tegelijk faalt
Voor een enkele cel zijn fakkellengtes tot 80 cm gemeten; voor een batterijpakket van 1,7 kWh lengtes tot ruim 2 m. Daarnaast komen er met deze fakkels kleine celonderdelen (tot 0,5 mm) vrij. Zeer kleine deeltjes (< 10 micrometer) kunnen ruim een half uur na het vrijkomen nog in de lucht aanwezig zijn en mogelijk een gevaar vormen bij inademing. Grotere celonderdelen kunnen door drukopbouw in de cel enkele meters wegschieten en elders brand veroorzaken.
Een thermal runaway zal zich sneller uitbreiden naar boven en opzij dan naar beneden
Daarnaast hebben de vorm en elektrische schakeling van de cellen invloed op de verspreiding. Een groter contactoppervlak tussen cellen (vorm) leidt tot snellere warmteoverdracht. Falen van een cel in een (elektrische) parallelschakeling van cellen resulteert in kortsluiting en versnelt opwarming van de overige cellen in de schakeling. Omdat een thermal runaway begint met het opwarmen van een cel, zal in beide gevallen een thermal runaway zich sneller verspreiden. Dit proces (ook wel thermische propagatie genoemd) is moeilijk te stoppen, wat het bestrijden van een batterijbrand ingewikkeld maakt. De in de literatuur gemeten temperaturen van batterijbranden leveren waardes van meer dan 600 °C op.
Warmtestralingsniveaus en schade
Data van experimenteel bepaalde warmtestralingsniveaus zijn schaars. Maar uit de beschikbare data kan worden afgeleid dat branden van enkel de batterijen met een energie-inhoud ter grootte van de batterij van een e-bike tot op enkele tientallen centimeters stralingswaardes genereren die schade kunnen aanrichten aan materialen. Batterijpakketten van meerdere kWh, zoals gebruikt in thuisbatterijen, kunnen tot op enkele meters voor schadelijke warmtestralingsniveaus van hoger dan 5 kW/m2 zorgen.
Momenteel werken de onderzoekers aan een model waarmee de warmtestraling van een batterijbrand kan worden berekend.