LNG ontploffing en brand

Veel elektrische (EV) en hybride (HEV) voertuigen zijn voorzien van een zgn. Lithium-ion hoog voltage batterij. Toyota en Lexus gebruikte in haar eerste hybride voertuigen een andere batterij techniek.

Lithium-ion (Li-on) is de benaming voor het actieve materiaal in de batterij. Er zijn echter een fors aantal varianten waarbij de verschillen bepaald worden door de eisen die aan de batterij worden gesteld. Denk hierbij aan de hoeveelheid energie die opgeslagen kan worden, het gewicht, de kostprijs, de levensduur in aantal oplaad- en ontlaadcycli, performance in de zin van snel op te laden en hoge stroom af te geven bij vol gas acceleratie. Uiteraard speelt daarnaast de chemische en thermische stabiliteit een belangrijke rol.

Voor voertuig toepassing worden veelal Lithium mangaan oxide (LMO) en Lithium nikkel mangaan cobalt oxide (NMC) batterijen toegepast. De literatuur beschrijft dat er blends worden gemaakt met LMO en NMC zodat door de lage inwendige weerstand hoge laadstromen en vol gas acceleratie boosts mogelijk zijn met daarnaast veel netto opslag capaciteit van elektrische energie. De exacte samenstelling van een HV batterij wordt door de meeste fabrikanten niet bekend gemaakt.

Van de vele branden in EV voertuigen die door ZTA zijn onderzocht is er tot nu toe één brand onderzocht waarbij, gezien de aard van de schade en het ontstaan van de brand, sprake moet zijn geweest van wat in de literatuur beschreven wordt als een thermal runaway. De afgelopen jaren is veel aandacht geweest voor dit fenomeen, bijv. met de zelfontbranding van Samsung smartphones. Dit naast de vele op sensatie gerichte berichten van branden in elektrische voertuigen.

Thermal Runaway

Een thermal runaway is een zeer destructieve schade die in een Li-on batterij kan ontstaan. Alle energie die opgeslagen is in een cel moet er uit en dat gaat dan via een thermische reactie. Naast de elektrische energie die vrijkomt ontstaat ook extra energie door de chemische reactie van met name cobalt. Probleem hierbij is dat door de chemische reactie in de batterij ook zuurstof vrijkomt die de verbranding zal versnellen.

De gevolgen hangen af van hoe de cellen, de modules en de pakketten zijn opgebouwd, wat de capaciteit en de SOC (lading niveau) van de cellen is. Een thermal runaway kan door verschillende factoren (of een combinatie hiervan) ontstaan:

1. Overcharge, een cel wordt geladen met een te hoge spanning.
2. Physical damage, beschadigingen aan een cel van buiten af (denk aan bijv. een deuk) die een kortsluiting (harde of zachte) veroorzaakt binnen in de cel.
3. Thermal damage, de cel wordt van buiten af verwarmd waar door de druk in de cel oploopt.
4. Production/design defects/flaws, onvolkomenheden in of tijdens het productie proces die een (vaak zachte) korsluiting in de cel veroorzaken en die pas later opspeelt.

Een thermal runaway brand is niet te blussen. Enerzijds omreden van het hierboven beschreven proces, anderzijds gezien de manier waarop de batterij is gemonteerd.

Een instabiel geworden hoog voltage batterij, bijv. door een mechanische schade door een aanrijding, zal herkenbaar worden aan het afblazen van gassen via de speciale ventilatie die een fabrikant heeft aangebracht. Een lekkage van accuzuur zoals dat laatst in het nieuws was bij een aanrijding tussen Rotterdam en Gorinchem is hooguit een lekkage van de koelvloeistof. Een HV batterij heeft een speciaal koelsysteem om de batterij te koelen of juist op temperatuur te houden.

Uitvoering van de batterijcel

De meeste fabrikanten gebruiken voor een hoog voltage batterij een ronde batterij cel, enigszins vergelijkbaar met de AA penlite batterij. Er zijn ook fabrikanten die kiezen voor een ovaal gewikkelde batterij cel. De anode en kathode worden als het ware als lange vellen met een separator afscheiding op elkaar gewikkeld. Na het wikkelen wordt het ovale pakket mechanisch platgedrukt zodat een nagenoeg rechthoekige vorm ontstaat. Op deze wijze kan per oppervlakte c.q. volume eenheid meer energie worden opgeslagen. Er ontstaat echter wel meer mechanische spanning (stress) in het pakket. Dit laatste is meer risicovol omdat het materiaal aan de anode en de kathode (de plus en min) zijde een verschil in uitzettingscoëfficiënt heeft. Ten gevolge hiervan kunnen onder condities van snel opladen en snel ontladen (vol gas accelereren) onwenselijke en ontoelaatbare materiaalspanningen ontstaan. Door de hoge stroom en de inwendige weerstand ontstaat een temperatuursverhoging. Deze inwendige weerstand veroorzaakt namelijk een spanningsverschil. Het verlies vermogen is recht evenredig met dit spanningsverschil en de afgenomen stroom. Bij extreme vermogensafname kan het verlies vermogen dat inwendig in de batterij ontstaat oplopen tot tientallen procenten van het afgenomen vermogen.

Soms wordt deze situatie versterkt door productie onreinheden die de separator tussen anode en kathode aantast en beschadigd. In zo’n situatie van productie onreinheden zal relatief kort na de productie en al na enkele malen van op- en ontladen van de batterij een dusdanige beschadiging ontstaan dat er als het ware een kleine kortsluiting zal ontstaan. De kortsluiting kan door de onreinheid ontstaan doordat de scheidingsfolie op micro niveau beschadigd raakt en de anode en kathode (de plus en min) met elkaar in contact kunnen komen.

Het proces dat daar op volgt is een langzame (dagenlange) maar niet te stoppen kettingreactie met uiteindelijk een situatie die een thermal runaway wordt genoemd. Een thermal runaway ontstaat daarom vaak pas uren tot vele uren nadat iets, bijvoorbeeld een laadproces, heeft plaatsgevonden.

Het laadproces

De hoog voltage batterij kan op verschillende manieren worden opgeladen. Van langzaam, via een normaal 230 volt stopcontact zoals in ieder woonhuis of bedrijf aanwezig is, tot middelsnel via een 3-fase lader of middels een snellader met gelijkstroom. Dit laatste is mogelijk bij snel-laadstations langs de snelweg. Bij de eerste twee methodes wordt een wisselstroom vanuit het openbare stroomnet toegevoerd aan de auto. In de auto is een omvormer gemonteerd die de wisselstroom gelijkricht naar gelijkstroom zodat die in de hoog voltage batterij kan worden opgeslagen. De laadstekker van het zgn. type 2, ook wel Mennekes genoemd naar de gelijknamige fabrikant, heeft meerdere contactpunten. Er zijn vier contacten voor de aansluiting van 3-fase inclusief de nulleider voor wisselspanning van 400 volt via het openbare net. Daarnaast ook contacten die de communicatie tussen de laadpaal en de auto verzorgen. Kern van de zaak is dat de aangevoerde wisselspanning door de omvormer in de auto wordt omgezet naar gelijkspanning. De auto verzorgd dus zelf die omzetting en bewaakt daarmee de hoogte van de spanning èn de stroom waarmee de hoog voltage batterij wordt opgeladen. Een probleem in het openbare elektriciteitsnetwerk heeft geen effect op de hoog voltage batterij. Hooguit kan het laadproces gestopt worden.

Het vermogen waarmee bij dergelijke laadpalen worden geladen is relatief beperkt en daarom is een oorzaak – gevolg reactie zeer onwaarschijnlijk. Let wel ervaring heeft uitgewezen dat een thermal runaway uren tot vele uren ‘incubatie tijd’ nodig heeft. Die incubatie tijd is echter sterk afhankelijk van de oorzaak van de thermal runaway, zie voorgaande hoofdstuk met genoemde oorzaken.

Bij het laadproces is ook sprake van een batterij management systeem dat als taak heeft om alle cellen in balans te houden. Een cel die eerder opgeladen is zal door een weerstandschakeling weer enigszins ontladen worden zodat uiteindelijk alle cellen op dezelfde niveau (SOC = state of charge) zijn opgeladen. Overcharge van een enkele cel kan leiden tot beschadiging van die cel, levensduur verkorting of zelfs een thermal runaway.

Dompelen van een EV voertuig

In 2019 heeft ZTA uitgebreid onderzoek verricht aan een Tesla die Brussel in brand is geraakt. Aan de hand van het beschikbare fotomateriaal kon worden vastgesteld dat er sprake was geweest van een interieurbrand. Na het blussen heeft de brandweer besloten om de auto te dompelen in een watercontainer. Het dompelen was volkomen onnodig en eigenlijk een bijzonder domme actie. Bij het expertise onderzoek bleek namelijk dat de hoog voltage batterij nog een ladingcapaciteit had van om en nabij 90%. Bij demontage van de HV batterij bleek vervolgens dat meerdere units en cellen door het water waren gaan corroderen. Kortom, het dompelen introduceert een probleem in plaats van dat het een probleem wegneemt! Door de corrosie worden namelijk overgangsweerstanden en kortsluitingen geïntroduceerd en dat leidt op termijn tot een thermal runaway. Onnodig om te melden is dat er door deze dompel actie een heleboel restwaarde is vernietigd.

Literatuur

• Fire Safety of Lithium-Ion Batteries in Road Vehicles 2019
• Paper 2.2 – Li-Ion Battery Types
• Risks associated with alternative fuels in roadtunnel and underground garages