Lithium-ion batterij

Onderstaand doen wij u graag uitleg over de potentiële brandgevaren van van lithium-ion batterijen.

Brandgevaar lithium-ion batterijen (LiBs)

De potentiële bedreigingen door lithium-ion batterijen vragen om een integraal beveiligingsconcept. Normale oplossingen voor brandveiligheid zijn niet toereikend.

Mensen die een lithium-ion batterij kopen of bezitten, dienen op de hoogte te zijn van de gevaren. Daarom leggen wij u de werking van deze accu uit.

De batterij van bijvoorbeeld een elektrische auto is eigenlijk de benzinetank en benzine ineen. De batterij is daarmee een van de belangrijkste componenten van een elektrische auto. Wel handig dus om te weten hoe zo’n ding nu eigenlijk werkt. En omdat vrijwel alle elektrische auto’s met een lithium-ion batterij uitgerust worden, richten wij ons daar op.

Werking van lithium-ion batterij (LiBs)

LiBs zijn opgebouwd uit vier componenten:

Na fabricage van deze componenten worden ze als cellen in een cilindrisch of rechthoekig omhulsel geplaatst in de vorm van een busje of een platte doos. Vier tot tien cellen worden onderling elektrisch verbonden en bijeengebracht in een module met een eigen managementsysteem.

LiBs accupakketten worden samengesteld uit deze modules en in een bots-bestendige container geplaatst. Van bepaalde merken is de container uitgerust met sensorsystemen die de conditie van de cellen en de warmteontwikkeling in de batterij meten. Ook heeft zo'n container aansluitingspunten voor het opladen van de lithium ion accu.

Omdat LiBs net als andere accu's kunnen lekken of ontbranden, hebben ze een speciale inherent veilige constructie. Cellen hebben momenteel een energiedichtheid van ongeveer 130 tot 160 Wh/kg. Maar in een compleet accupakket is de gemiddelde energiedichtheid lager: ongeveer 80-110 Wh/kg.

Figuur 3 toont de opbouw van een cilindrische LiB-cel. De stroom loopt van buiten naar binnen via de anode. De stroom verlaat de lithium-ion accu via de kathode. Tijdens het ontladingsproces verliest het lithium in de anode een elektron. Deze gaat over in een ion dat zich in de richting van de kathode beweegt. De elektronen verlaten de anode via de draad naar de belasting en vervolgens naar de kathode. De eigenschappen van het materiaal waaruit de anode en kathode zijn opgebouwd bepalen de mate waarin ze elektronen kunnen accepteren of doneren. Dit heet het elektrodepotentiaal. Het verschil tussen anode en kathodepotentiaal bepaalt het voltage van de cel.

Fig. 3. Opbouw en werking van een cilindrische cel van lithium-ion accu (bron: Mitsubishi Chemical).

Kathodematerialen

Kathodematerialen maken gebruik van lithium overgangsmetaaloxiden. Hierin zijn lithium en de metalen de positieve ionen en het oxide het negatieve ion. De vijf materialen voor kathodes zijn:

Deze kathodematerialen worden in poedervorm vermengd met harsen en oplosmiddelen en gecoat met een aluminiumfolie tot een kathode. Kathodematerialen bepalen eigenschappen zoals de opslagcapaciteit en de elektrische output. Ze vormen het grootste aandeel in de productiekosten.

Belangrijke Japanse producenten van kathodematerialen zijn, naast Nichia Chemical, Toda Kogyo, Tanaka Chemical en AGC Seimi Chemical ook Nippon Chemical Industrial, Nihon Kagaku Sangyo, Nippon Denko, Sumitomo Metal Mining, Misubishi Chemical HD, Mitsui Engineering & Ship &Building en Sumitomo Osaka Cement.

Anodematerialen

Het actieve anodemateriaal bevat koolstof in de vorm van grafiet. Dit is aangebracht op koperfolie. Er zijn drie typen anodematerialen: (kunstmatig en natuurlijk) grafiet, (harde en zachte) koolstof en legeringen. De grafiet-gebaseerde materialen zitten al dicht bij hun theoretische limiet voor laadcapaciteit. Het zijn dan ook vooral de legeringen die voor automotive-toepassingen de weg openen naar een hogere laadcapaciteit. Belangrijke Japanse producenten van anodemateriaal zijn: Hitachi Chemical, JFE Chemical, Nippon carbon, Mitsubishi Chemical HD, Showa Denko en Kureha.

Electrolyten

Een electrolyt is een mengsel van lithiumzouten, organische oplosmiddelen en additieven. Lithiumboraat-tetrafluoride en lithium-fosfaathexafluoride zijn de meest gangbare zouten. Als oplosmiddelen worden propyleencarbonaat, ethyleencarbonaat, dimethylcarbonaat en diethylcarbonaat toegepast. Het electrolyt dient als transportmedium voor de lithiumionen. Tijdens het laadproces verlaten lithiumionen de kathode en verplaatsen zich via het electrolyt naar de anode. Daarbij passeren ze de separator. Tijdens het ontladen keren de ionen terug naar de kathode. Het ionentransport maakt de elektrische stroom mogelijk.

Het gebruik van niet-waterige oplosmiddelen maakte het mogelijk om het voltage van een batterijcel omhoog te brengen naar 4,2 Volt, dichtbij de theoretische limiet van 6 Volt. Nikkel-metaalhydride accu's maken gebruik van waterige electrolyten. Daardoor kan het voltage niet boven de 1,5 stijgen, omdat dan elektrolyse van water plaatsvindt. In de praktijk ligt het voltage van LiBcellen op ongeveer 3,75 Volt. Ube Industries is de grootse Japanse producent van electrolyten. Mitsubishi Chemical HD, Tomiyama Pure Chemicals zijn producenten van electrolyt-oplosmiddelen.

Separator

De separator is een poreus membraan van polyethyleen of polypropyleen dat de kathode van de anode scheidt en zo kortsluiting voorkomt. Het wordt in de electrolyt-oplossing geplaatst. Bij bepaalde merken zal bij oververhitting van de accu het membraan smelten, waardoor het ionentransport stopt. Verder beschermt de separator het electrolyt, waardoor het geleidingsvermogen van de accu op peil blijft. De grootste Japanse leverancier is Asahi Kasei, gevolgd door Tonen Chemical Sekiyu. Verder zijn Toray, Ube Industries en Mitsubishi Chemical HD actief op de markt.

De kostenverdeling van de componenten in een batterij zijn ruwweg 13 procent voor de anode, 36 procent voor de kathode, electrolyt 10 procent en separator 14 procent. Koperen aluminiumfolie vergen 16 procent en overige kosten komen op 12 procent. De materialen en de bewerking daarvan maken ongeveer 40 procent uit van de totale productiekosten van een accupakket.

Brand

Tijdens de productie, het vervoer en/of gebruik van de lithium-ion batterij (LiBs) kan door slag, stoot of interne fout, een batterij c.q. accupakket tot ontbranding komen. Dit met alle gevolgen van dien.

Hiervan zijn diverse voorbeelden.

Oorzaken brand

Het barsten van cellen door opwarming en het ontvlammen van het vloeibare elektrolyt is naast explosiegevaar het grootste risico voor het ontstaan van brand.

Bepaalde onderdelen van de productie van lithium batterijen zijn brandbeveiligings-technisch bijzonder kwetsbaar. Zoals bijvoorbeeld de formatering en het verouderingsproces, dit vanwege de hoge energiedichtheid.

Het thermisch op hol slaan van accu’s (thermal runaway) welke wordt veroorzaakt door bijvoorbeeld interne kortsluiting, geldt als een bijzonder gevaar bij het formatteren van de cellen.

Hoog brandrisico door de grote hoeveelheid energie welke is opgeslagen in de cellen.

Ongecontroleerde of (te) snelle afgifte van de opgeslagen chemische energie, door een technische defect of een verkeerde behandeling, veroorzaakt het afgeven van thermische energie wat een kortsluiting kan veroorzaken of het uitstoten van elektrolyten. Het kan een brand of zelfs een explosie veroorzaken.

Mechanische beschadiging, elektrische storingen of verwarming kunnen ook leiden tot lekkage van elektrolyten en zo een brand of explosie veroorzaken.

Kleine ruimten met hoge opslagdichtheid verhogen de kans op branduitbreiding en kunnen leiden tot een kettingreactie.

Verbrandingsresten kunnen heftig reageren en zeer giftig zijn. Afhankelijk van het elektrolyt is zelfs de vorming van zeer gevaarlijk zuur mogelijk.

Omdat lithium in combinatie met water een zeer explosief gas produceert, kunnen conventionele blussystemen niet gebruikt worden om te blussen. Zeker niet in die blusstoffen waar water in voorkomt.

Wereldwijd zijn veel leveranciers van blussystemen die zich bezig hebben gehouden met het zoeken naar een geschikt blusmiddel. Tot op heden is dat niet gelukt.

Er zijn leveranciers die aangeven dat zij lithium branden kunnen blussen met watermist en sommigen beweren dat zij dit kunnen door het zuurstof gehalte te verlagen. Voor dit soort leveranciers is een grondige studie van de lithium-ion noodzakelijk voordat zij schijnveiligheid gaan verkopen.

In het kort komt het erop neer dat het brandgevaar van binnenuit de lithium-ion cellen (batterijen) komt en deze de naastgelegen cellen kan infecteren waardoor er een kettingreactie kan ontstaan.