Även om tekniken blir allt säkrare är fortfarande bränder i litiumjonteknik många gånger dramatiska, bilderna visar ett förlopp med fem sekunders skillnad. Källa: ”Skärmdumpar från YouTube-video av London Assembly (Creative Commons)”.
– Konkreta brandskyddsstrategier för ny batteriteknik
Artikelförfattare: Mattias Arnqvist, FSD Göteborg AB
För mig personligen har det inneburit stora utmaningar att ta fram denna artikel. Den nästan ofattbara utvecklingen av batteritekniken de senaste 5 åren, i kombination med ett stort personligt intresse, gör att det vore lätt att skriva spaltmeter enbart om cellkemivariationer, dendritbildning, initiering av termisk rusning och förestående teknikrevolutioner.
Målet har dock varit att inte förirra mig in för mycket på detaljnivå, utan i stället erbjuda något praktiskt. Till skillnad från för bara några år sedan har vi nu nått en punkt där vi har erfarenhet, kunskap, standardisering och skyddssystem på plats. Utifrån detta har vi äntligen möjligheten att ge konkret vägledning kring hur man minimerar risker och konsekvenser för bränder i många av de nya tillämpningar där batterier används. Hur intressanta de bakomliggande teoretiska aspekterna än må vara, är det trots allt i det praktiska brandskyddets utformning vi som brandingenjörer har mest att erbjuda. Med det sagt behövs det självklart ändå en kortare introduktion till varför just brandrisker har en så stark koppling till ny batteriteknik.
Precis som för alla former av energilager kommer målen med batterier alltid vara så mycket energi i så lite volym som möjligt, och så snabb överföring av energi in och ut ur lagret som det går. Det är naturligt att brandrisker uppstår i system med den kravbilden. Det var en av de första sakerna man fick lära sig i utbildningen till brandingenjör, att skillnaden mellan en brand och en eld, eller en brandgasexplosion och en förbränningsmotor i grunden inte handlar om kemi, utan om hur kontrollerad processen är. För batterier finns det många saker som påverkar hur stor risken är att en battericell går från ett kontrollerat tillstånd till ett okontrollerat (termisk rusning och i förlängningen risk för brand eller explosion), men de vanligaste är:
– Kemisk stabilitet och reaktivitet
o Beror i sin tur på vilken cellkemi cellen har. Energitäta cellkemier med flytande elektrolyt är till exempel ofta mer reaktiva och instabila, medan mindre energitäta kemier (och kommande kemier med fast eller semifast elektrolyt) ofta är stabilare och har större toleranser vid användning. Kemin är avgörande för vilken grundrisk en battericell har för brand.
– Fysisk uppbyggnad och kapsling
o Cellens fysiska uppbyggnad som till exempel dess formfaktor, packningsgrad, kapsling, tryckavlastningsfunktion osv. avgör hur robust den är mot flera faktorer (så som extern och intern temperaturhantering, tålighet mot mekanisk påverkan, toleranser för intern kortslutning/dentrituppbyggnad osv.). Precis som med den föregående punkten är det generellt mer energitäta system som prioriterar bort de mer robusta uppbyggnaderna för att nå bättre lagringskapacitet på mindre volym.
– Skador och imperfektioner
o Imperfektioner och skador i tillverkning och leverans kan öka risken betydligt för intern kortslutning av celler som leder till termisk rusning. Stora seriösa tillverkare med hög grad av kvalitetskontroll och standardisering minskar risken för ursprungsfel hos cellerna.
– Temperatur och förhållanden vid användning
o Eftersom batterier är en kemisk form av energilagring är temperatur och användning avgörande för hur kontrollerad processen är. Högre temperaturer och väldigt snabb i och urladdning ökar risken för att den kemiska reaktionen blir okontrollerad och går till termisk rusning. Hur hög temperatur och cykling en cell tål beror på förutsättningarna i alla de föregående punkterna.
– Reglering
o Eftersom batterier är en global jättemarknad med hög konkurrens kommer marknadskrafter innebära att tillverkare alltid frenetisk letar marginaler. Internationell och nationell reglering och standardisering fyller en viktig roll i att sätta en lägsta acceptabel säkerhetsnivå så att brandsäkerheten inte blir helt beroende på de konkurrensutsatta tillverkarnas bedömningar.
