Wat gebeurt er als een EV-batterij brandt?

Wanneer een EV-batterij brandt, is dit meestal te wijten aan een fenomeen dat 'thermal runaway' wordt genoemd. In vereenvoudigde termen is het een kettingreactie die begint wanneer een cel in de batterij om de een of andere reden oververhit raakt, vaak vanwege externe fysieke schade, oververhitting of overladen (ook wel "externe schade" genoemd). Soms kan het worden veroorzaakt door een intern probleem, zoals fabricagefouten of een kortsluiting in de batterijcel (ook wel "interne zorgen" genoemd).

Een brandende EV-batterij kan bijzonder zorgwekkend zijn omdat, in tegenstelling tot een traditionele auto met verbrandingsmotor, de batterijen in EV's vaak over de hele lengte van het voertuig lopen. Zodra een cel in een EV-batterijpakket vlam vat, kan de hitte ervoor zorgen dat nabijgelegen cellen ook vlam vatten, wat leidt tot een kettingreactie die snel het hele batterijpakket en mogelijk het hele voertuig kan overspoelen.

Om het probleem nog groter te maken, bevat het meest voorkomende type batterij dat in de huidige EV's wordt gebruikt, de lithium-ionbatterij, ontvlambare organische vloeibare elektrolyten. Hierdoor zijn deze batterijen vatbaarder voor brand en ontploffing wanneer ze beschadigd of onjuist behandeld worden. Bovendien is er een specifiek risico dat 'lithiumdendrieten' wordt genoemd. Dit zijn kleine, naaldachtige uitsteeksels die zich tijdens het opladen op de anode kunnen ontwikkelen. Als deze dendrieten groot genoeg worden, kunnen ze de separator doorboren, waardoor kortsluiting ontstaat en mogelijk een thermische runaway-situatie ontstaat.

Daarom zijn de integriteit van de batterijstructuur en de kwaliteit van de separatoren cruciale factoren om de veiligheid van een EV-batterij te waarborgen. Als zodanig ondergaan kwaliteitsbatterijen verschillende stresstests voordat ze de fabriek verlaten, waaronder een "lektest" die een kortsluiting simuleert die wordt veroorzaakt door de gelijktijdige beschadiging van de positieve en negatieve elektroden en separator.

Ondanks het bovenstaande is het belangrijk op te merken dat oververhitting in elektrische auto's relatief zeldzaam is en dat veel fabrikanten, onderzoekers en instellingen hard werken om de veiligheid van deze batterijen verder te verbeteren. Een benadering is de ontwikkeling van solid-state batterijen, die de ontvlambare vloeibare elektrolyt vervangen door een niet-ontvlambare vaste elektrolyt. Vanaf 2023 bevinden deze batterijen zich echter nog grotendeels in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase.

Begin augustus 2023 kwam een ​​NIO ES8 in botsing met een wegpijler in Zhejiang, China, en barstte binnen enkele seconden in vlammen uit, waarbij de bestuurder om het leven kwam. Het incident wordt nog onderzocht. Slechts enkele dagen eerder, eind juli, kwamen een Tesla Model Y en een Audi sedan met elkaar in botsing in Dongguan, Guangdong. De Tesla verloor de macht over het stuur, raakte een vangrail en vatte vlam.

Een beetje verder terugspoelen, en we vinden een NIO AUTO-batterijwisselstation in Jiangmen, Guangdong, in vuur en vlam. De oorzaak? De batterij van een NIO-gebruiker, op afstand geïdentificeerd als beschadigd door externe krachten, vloog tijdens inspectie in brand bij terugkeer naar het station.

Dit zijn de nachtmerriescenario's die veel benzineliefhebbers die zich verzetten tegen de omarming van elektrische voertuigen (EV's) zich hebben voorgesteld, en het moeilijkst te verlichten: de veiligheid van EV-batterijen. Deze angst is niet ongegrond; batterijbranden kunnen alarmerender zijn in elektrische auto's dan in conventionele auto's. Zo is de accu van een elektrische auto in het hele voertuig geïntegreerd, waardoor deze bij brand vatbaar is voor volledige ontbranding. Nog verontrustender, terwijl conventionele voertuigbranden over het algemeen worden geassocieerd met verkeersongevallen, kunnen EV's soms spontaan ontbranden terwijl ze stilstaan, waardoor het nieuws meer in het oog springt.

Veelvoorkomende redenen voor deze 'thermal runaway'-incidenten vallen uiteen in twee categorieën: externe bedreigingen en interne zorgen. Externe bedreigingen omvatten mechanisch misbruik, thermisch misbruik en elektrisch misbruik, meestal als gevolg van ongelukken, hoge temperaturen, overladen of ontladen. Naast het in brand vliegen bij een ernstige aanrijding tijdens verkeersincidenten, meldde NIO ook een zelfontbrandingsgebeurtenis van een ES8 EV in 2019 tijdens onderhoud als gevolg van een kortsluiting veroorzaakt door compressie van de batterijstructuur na een botsing met het chassis. Bijna alle andere Chinese EV-fabrikanten hebben vergelijkbare gevallen gemeld.

De zogenaamde interne zorgen zijn veelzijdig. De huidige lithium-ionbatterijen, die voornamelijk bestaan ​​uit positieve en negatieve elektroden, separatoren en elektrolyt, brengen hun eigen unieke risico's met zich mee. Het fenomeen van lithiumplating doet zich bijvoorbeeld voor wanneer lithiumionen die in de batterij bewegen, zich ophopen op het dunne membraan dat de elektroden scheidt en lithiumdendrieten vormen. Deze dendrieten kunnen het membraan doorboren, waardoor kortsluiting en snelle warmteaccumulatie ontstaan.

Daarom zijn de integriteit van de batterijstructuur en de kwaliteit van de separator cruciale bepalende factoren voor de veiligheid van de batterij. Hoogwaardige batterijen ondergaan strenge tests voordat ze de fabriek verlaten, waaronder een "nagelpenetratie" -test (hoewel niet universeel verplicht) gericht op kortsluiting door de integriteit van de positieve en negatieve elektroden en separator te beschadigen.

Met dit in gedachten lijkt de natuurlijke weg naar verbetering van de veiligheid duidelijk: vervang de brandbare organische elektrolyt door een onbeweeglijk, niet-lekkend, thermisch stabiel vast materiaal. Vastestofbatterijen zijn het voor de hand liggende "volgende station" geworden in de routekaart van de batterij-industrie voor hun veiligheid en energiedichtheid. De reis naar brede acceptatie is echter ongrijpbaar gebleken. Ondanks dat het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory al in 1990 de eerste solid-state batterij ontwikkelde, bleven er consistente technologische obstakels bestaan.

In de wereld van solid-state batterijen zijn er drie gangbare systemen voor vaste elektrolytmaterialen: polymeren, oxiden en sulfiden. Elk heeft zijn eigen sterke en zwakke punten, en ze hebben allemaal te maken met de uitdagingen op het gebied van schaalbaarheid van de productie en kwaliteitscontrole die inherent zijn aan commercialisering.

Sceptici spotten met de verminderde actieradius van elektrische voertuigen in de winter vanwege de slechte prestaties van de huidige vloeibare batterijen bij lage temperaturen, terwijl het potentiële risico van verbranding tijdens het opladen in de zomer ook een punt van zorg is. Dit onderstreept de behoefte aan een veiligere, efficiëntere batterij die de eisen van alle seizoenen aankan.

Experimenten met 3D-printen om complexe structuren voor vaste elektrolyten te creëren, hebben enige belofte opgeleverd. Onderzoekers van de Universiteit van Oxford hebben bijvoorbeeld 3D-printen gebruikt om een ​​driedimensionaal raamwerk te construeren, gevuld met een vaste elektrolyt, om de mechanische sterkte te verbeteren en gemakkelijk breken te voorkomen. Evenzo gebruikt het Amerikaanse bedrijf Sakuu binder-jetting-technologie om de vereiste elektrodematerialen en vaste elektrolytpoeders op een substraat te deponeren en ze te "verharden" met vloeibare reagentia.

Hoewel 3D-printen een manier kan zijn om het contactoppervlak van de interface uit te breiden en de porositeit van het materiaal te beheersen, zijn er nog grote hindernissen te overwinnen voordat deze experimentele technieken kunnen worden omgezet in een levensvatbare, in massa geproduceerde oplossing. Het balanceren van prestaties en kosten, het bereiken van schaalbaarheid en het handhaven van strenge kwaliteitscontrolenormen zijn de dreigende uitdagingen die deze veelbelovende oplossingen in het laboratorium houden in plaats van op de weg.

Terwijl we een steeds elektrischere toekomst tegemoet racen, houden de inherente risico's en het constante streven naar verbeterde veiligheidsmaatregelen de industrie in beweging. Ondanks de ontmoedigende uitdagingen gaat de mars naar een veiligere, efficiëntere elektrische voertuigindustrie door, gevoed door niet-aflatende innovatie en inzet voor een duurzame toekomst. Zoals altijd zal de New Yorker deze ontwikkelingen nauwlettend in de gaten houden, klaar om inzicht en analyse te bieden over de komende reis.