Uitgelegd | Waarom vliegen elektrische voertuigen in brand?


Veroorzaakt de batterij het probleem? Wat zijn de veiligheidsmaatregelen die moeten worden gevolgd om explosies te voorkomen?

Veroorzaakt de batterij het probleem? Wat zijn de veiligheidsmaatregelen die moeten worden gevolgd om explosies te voorkomen?

Het verhaal tot nu toe: De regering van de Unie heeft een panel van deskundigen samengesteld om de recente reeks batterij-explosies in elektrische voertuigen (EV’s). Fabrikanten zoals Okinawa en Pure EV hebben heeft enkele partijen elektrische scooters teruggeroepen na brandincidenten waarbij de voertuigen betrokken waren. Afgelopen woensdag, een 80-jarige man stierf in zijn huis in Nizamabad . in Telangana district nadat de batterij van een elektrische scooter tijdens het opladen ontplofte. Na het onderzoek is het Ministerie van Verkeer en Waterstaat voornemens om richtlijnen voor EV’s uit te brengen, inclusief tests voor naleving van veiligheidsnormen.

Waarom staat de wereld klaar om over te stappen op elektrische voertuigen?

De groeiende bezorgdheid over klimaatverandering heeft geleid tot wereldwijde inspanningen om de transportsector te elektrificeren. Tegelijkertijd zijn de kosten van Li-ion (Lithium-ion) batterijtechnologie het afgelopen decennium met een duizelingwekkende orde van grootte gedaald. De convergentie van deze twee factoren heeft geresulteerd in een unieke tijd in onze geschiedenis waarin we aan de vooravond staan ​​van een dramatische transitie in de transportsector, waarbij elektrische voertuigen klaar staan ​​om benzinevoertuigen te vervangen.

De wereld heeft nota genomen van dit moment, waarbij regeringen prikkels geven om de overgang in te luiden en de particuliere industrie plannen opvoert om de markt te veroveren. Er ontstaat een wereldwijde wedloop waarbij autofabrikanten, batterijfabrikanten en materiaalleveranciers met elkaar strijden om marktaandeel. Li-ionbatterijen zijn echter complexe apparaten die een niveau van verfijning vereisen dat jaren kan duren om te perfectioneren. Het versnellen van de ontwikkeling van deze complexe technologie zonder zorgvuldige voorzorgsmaatregelen kan leiden tot toenemende veiligheidsincidenten, zoals onlangs is gebleken op de Indiase wegen.

Wat gaat er in een Li-ion batterij?

Elke Li-ionbatterij bestaat uit drie actieve componenten: de anode, meestal grafiet; de kathode, typisch gebaseerd op een op nikkel, kobalt en mangaan gebaseerd oxide; en een elektrolyt, typisch een zout van lithium in een anorganisch oplosmiddel. Het vervaardigen van batterijen is een complexe operatie waarbij vellen van de anode en kathode worden gevormd en deze worden samengevoegd tot een sandwichstructuur die uit elkaar wordt gehouden door een dunne separator.

Scheiders, ongeveer 15 micron dik – ongeveer een vijfde van de dikte van het menselijk haar – vervullen de cruciale functie om te voorkomen dat de anode en kathode kortsluiten. Het per ongeluk kortsluiten van de elektroden is een bekende oorzaak van branden in Li-ion-cellen. Het is belangrijk dat de verschillende lagen met hoge precisie worden geassembleerd met nauwe toleranties die tijdens het productieproces worden gehandhaafd. Veiligheidsvoorzieningen, zoals thermische schakelaars die uitschakelen als de batterij oververhit raakt, worden toegevoegd wanneer de sandwich in een batterijcel wordt verpakt.

Batterijcellen worden geassembleerd tot modules en vervolgens verder geassembleerd tot pakketten. Li-ionbatterijen vereisen een strikte controle over de laadstatus en de bedrijfstemperatuur om de veiligheid te vergroten en de bruikbare levensduur te verlengen, bereikt door meerdere sensoren toe te voegen. Packs zijn ontworpen om een ​​uniform temperatuurprofiel te garanderen met minimale thermische variatie tijdens bedrijf. Zorgen voor robuuste detectie, gekoppeld aan batterijbeheersystemen die de gegevens interpreteren en de werking wijzigen op basis van veranderingen in de batterijstatus, blijft van cruciaal belang bij het verbeteren van de batterijprestaties.

Afhankelijk van het ontwerp van het voertuig zijn batterijpakketten in unieke vormfactoren in het voertuig geïntegreerd. De locatie van de batterij moet deze beschermen tegen externe penetratie, de veiligheid van de passagiers garanderen en rekening houden met de algehele gewichtsverdeling. Een nauwe interactie tussen voertuigfabrikanten en batterijfabrikanten is essentieel zodat het geheel meer is dan de som der delen.

Er zijn meerdere compromissen in dit complexe ecosysteem: het ontwerpen van meer veiligheid resulteert vaak in hogere kosten en een lager rijbereik. In dit competitieve landschap waarin bedrijven strijden om marktaandeel, kan een race naar de bodem de veiligheid in gevaar brengen.

Wat veroorzaakt batterijbranden?

Hoewel Li-ionbatterijen complex zijn, hebben talloze bedrijven de afgelopen drie decennia de kunst van het vervaardigen van hoogwaardige cellen geperfectioneerd en in voertuigen geïntegreerd met minimale veiligheidsproblemen. De energiedichtheid van benzine is vijfhonderd keer die van een typische Li-ionbatterij, daarom moet de veiligheid beheersbaar zijn als er robuuste controles zijn. Batterijen slaan echter energie op in een klein pakket en als de energie op een ongecontroleerde manier vrijkomt, kan de thermische gebeurtenis aanzienlijk zijn.

Batterijbranden treden, net als andere branden, op als gevolg van de convergentie van drie delen van de “branddriehoek”: hitte, zuurstof en brandstof. Als zich een ongunstige gebeurtenis voordoet, zoals een kortsluiting in de batterij, kan de interne temperatuur stijgen als de anode en kathode hun energie door de kortsluiting vrijgeven. Dit kan op zijn beurt leiden tot een reeks reacties van de batterijmaterialen, met name de kathode, die samen met zuurstof op ongecontroleerde wijze warmte afgeven.

Dergelijke gebeurtenissen doen ook de verzegelde batterij scheuren, waardoor de componenten verder worden blootgesteld aan buitenlucht en het tweede deel van de branddriehoek, namelijk zuurstof. Het laatste onderdeel van de driehoek is de vloeibare elektrolyt, die ontvlambaar is en als brandstof dient. De combinatie leidt tot catastrofaal falen van de batterij, wat resulteert in rook, hitte en vuur, die onmiddellijk en explosief vrijkomen.

De trigger voor dergelijke gebeurtenissen kan het gevolg zijn van interne kortsluiting (zoals een fabricagefout waardoor scherpe voorwerpen de separator binnendringen), externe gebeurtenissen (een ongeval dat leidt tot het doorprikken van de cel en kortsluiting van de elektroden), overladen van de batterij die leidt tot warmteafgiftereacties op de kathode (door een defect batterijbeheersysteem dat het opladen niet afsluit ondanks het bereiken van de ontworpen laadstatus van de batterij), of slecht thermisch ontwerp op het module- en pakketniveau (door de interne warmte van de batterij niet te laten worden vrijgelaten). Elk van deze triggers kan leiden tot een significant veiligheidsincident (zie afbeelding).

Zijn batterijbranden onvermijdelijk?

In de afgelopen drie decennia hebben Li-ion-batterijen bewezen extreem veilig te zijn, waarbij de industrie de controles opvoerde naarmate er veiligheidsincidenten aan de oppervlakte kwamen. Veiligheid is een must en is een belangrijke overweging waar batterij- en voertuigfabrikanten voor kunnen ontwerpen op meerdere niveaus, van de keuze van batterijmateriaal tot ontwerpen op cel-, pakket- en voertuigniveau.

Brand voorkomen vereist het doorbreken van de branddriehoek. Batterijkathoden zijn een belangrijke oorzaak van het vrijkomen van warmte. Sommige kathoden, zoals die met een lager nikkelgehalte of die overgaan op ijzerfosfaat, kunnen de veiligheid verhogen. Strak gecontroleerde productie voorkomt onbedoelde kortsluiting in de cellen, waardoor een belangrijke oorzaak van branden wordt geëlimineerd. Veel bedrijven brengen tegenwoordig een keramische laag aan op de separator om kortsluiting mechanisch te voorkomen. Het detecteren van de staat van de batterij en het integreren van deze gegevens in geavanceerde batterijbeheersystemen is een belangrijk aspect van het ontwerp. Het beschermen van de cel met robuust thermisch beheer is van cruciaal belang, vooral in India waar de omgevingstemperaturen hoog zijn. Ten slotte moeten accupacks worden beschermd tegen penetratie van buitenaf. Elk grootschalig productieproces heeft onvermijdelijk een bepaald percentage defecten; daarom zijn dergelijke stappen nodig om het aantal bijwerkingen te minimaliseren.

Ook op de lange termijn zijn er veranderingen gaande. Veiligheid blijft een punt van zorg voor Li-ion-fabrikanten over de hele wereld, vooral omdat de celgroottes groter worden voor toepassingen zoals op zonne-energie aangesloten opslag. Bedrijven ontwikkelen interne “schakelaars” die delen van de batterij uitschakelen die thermische gebeurtenissen ondergaan om ze bij het begin te stoppen. Er wordt nu onderzoek gedaan om de ontvlambare vloeibare elektrolyt te vervangen door een vaste elektrolyt om een ​​deel van de branddriehoek te elimineren. Een soortgelijke rode draad in het onderzoek is de ontwikkeling van onbrandbare vloeibare elektrolyten. Al deze veranderingen beloven de dreiging van batterijbranden weg te nemen naarmate de massale elektrificatie plaatsvindt.

Technische veiligheid vereist inzet van alle onderdelen van de batterijtoeleveringsketen en nauwe integratie tussen voertuigbedrijven en batterijbedrijven. Verder spelen regelgevers een belangrijke rol door de tests en certificeringen te leveren die nodig zijn om ervoor te zorgen dat technologische innovaties presteren op het beloofde niveau. Li-ionbatterijen zijn niet vergevingsgezind voor slordige techniek en benaderingen die afhankelijk zijn van bezuinigingen. Bedrijven met een streng gecontroleerde productie met jarenlange ervaring kunnen het aantal ongunstige veiligheidsincidenten tot een minimum beperken. Dergelijke batterijen zijn misschien duurder, maar veiligheid zou niet “zomaar” een maatstaf moeten zijn. Het waarborgen van veiligheid zou eerder de prioriteit van fabrikanten moeten zijn.

De schrijver is directeur van het Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science in het Argonne National Laboratory, Illinois

Leave a Reply

Your email address will not be published.