Hva skjer når et EV-batteri brenner?

Når et EV-batteri brenner, er det vanligvis på grunn av et fenomen som kalles "termisk runaway". Forenklet sett er det en kjedereaksjon som starter når en celle i batteriet av en eller annen grunn blir overopphetet, ofte på grunn av ekstern fysisk skade, overoppheting eller overlading (referert til som "ytre skader"). Noen ganger kan det utløses av et internt problem som produksjonsfeil eller en kortslutning i battericellen (referert til som "interne bekymringer").

Et brennende EV-batteri kan være spesielt bekymringsfullt fordi, i motsetning til en tradisjonell forbrenningsmotorbil, kjører batteriene i EV-er ofte bilens lengde. Når en celle i en EV-batteripakke tar fyr, kan varmen føre til at celler i nærheten også tar fyr, noe som fører til en kjedereaksjon som raskt kan oppsluke hele batteripakken og potensielt hele kjøretøyet.

For å forsterke problemet inneholder den vanligste typen batteri som brukes i dagens elbiler, litiumionbatteriet, brennbare organiske flytende elektrolytter. Dette gjør disse batteriene mer utsatt for å ta fyr og eksplodere når de blir skadet eller feil håndtert. I tillegg er det en spesifikk risiko kalt "litiumdendritter", som er små, nållignende fremspring som kan utvikle seg på anoden under lading. Hvis disse dendrittene vokser seg store nok, kan de stikke hull i separatoren, forårsake kortslutning og muligens føre til en termisk løpssituasjon.

Derfor er integriteten til batteristrukturen og kvaliteten på separatorene avgjørende faktorer for å sikre sikkerheten til et EV-batteri. Som sådan gjennomgår kvalitetsbatterier ulike stresstester før de forlater fabrikken, inkludert en "punktur"-test som simulerer en kortslutning forårsaket av samtidig skade på de positive og negative elektrodene og separatoren.

Til tross for det ovennevnte er det viktig å merke seg at termisk løping i elbiler er relativt sjelden, og mange produsenter, forskere og institusjoner jobber iherdig med å forbedre sikkerheten til disse batteriene ytterligere. En tilnærming er utviklingen av solid-state-batterier, som erstatter den brennbare flytende elektrolytten med en ikke-brennbar fast. Men fra og med 2023 er disse batteriene fortsatt stort sett på forsknings- og utviklingsstadiet.

I de første dagene av august 2023 kolliderte en NIO ES8 med en veipilar i Zhejiang, Kina, og brøt ut i flammer i løpet av sekunder, og tok livet av sjåføren. Hendelsen er fortsatt under etterforskning. Bare dager før, i slutten av juli, kolliderte en Tesla Model Y og en Audi sedan i Dongguan, Guangdong. Teslaen mistet kontrollen, traff et autovern og brant i brann.

Spol litt lenger tilbake, og vi finner en NIO AUTO-batteribyttestasjon i Jiangmen, Guangdong, i brann. Årsaken? En NIO-brukers batteri, eksternt identifisert som skadet av eksterne krefter, tok fyr under inspeksjon ved retur til stasjonen.

Dette er marerittscenarioene mange bensinentusiaster som er motstandsdyktige mot omfavnelsen av elektriske kjøretøy (EV-er) har forestilt seg, og de vanskeligste å lindre: sikkerheten til EV-batterier. Denne frykten er ikke ubegrunnet; batteribranner kan være mer alarmerende i elbiler enn konvensjonelle biler. For eksempel er batteriet i en elbil integrert i hele kjøretøyet, noe som gjør det utsatt for total forbrenning i tilfelle brann. Enda mer foruroligende, mens konvensjonelle kjøretøybranner generelt er forbundet med trafikkulykker, kan elbiler noen ganger selvantenne mens de er i ro, noe som gjør nyhetene mer fremtredende.

Vanlige årsaker til disse "termiske løpshendelsene" faller inn i to kategorier: eksterne trusler og interne bekymringer. Eksterne trusler involverer mekanisk misbruk, termisk misbruk og elektrisk misbruk, vanligvis på grunn av ulykker, høye temperaturer, overlading eller utlading. I tillegg til å ta fyr ved alvorlig kollisjon under trafikkhendelser, rapporterte NIO også en spontan forbrenningshendelse av en ES8 EV i 2019 under vedlikehold på grunn av en kortslutning forårsaket av kompresjon av batteripakkens struktur etter et chassisstøt. Nesten alle andre kinesiske elbilprodusenter har rapportert lignende tilfeller.

De såkalte indre bekymringene er mangefasetterte. Nåværende litium-ion-batterier, hovedsakelig sammensatt av positive og negative elektroder, separatorer og elektrolytt, utgjør sine egne unike farer. For eksempel oppstår fenomenet litiumplettering når litiumioner som beveger seg inne i batteriet akkumuleres på den tynne membranen som skiller elektrodene, og danner litiumdendritter. Disse dendrittene kan stikke hull i membranen, forårsake kortslutning og rask varmeakkumulering.

Derfor er batteristrukturintegritet og separatorkvalitet avgjørende faktorer for batterisikkerhet. Batterier av høy kvalitet gjennomgår strenge tester før de forlater fabrikken, inkludert en "spikerpenetrasjonstest" (men ikke universelt obligatorisk) rettet mot kortslutning ved å skade integriteten til de positive og negative elektrodene og separatoren.

Med dette i tankene virker den naturlige veien til sikkerhetsforbedring klar: Bytt ut den brennbare organiske elektrolytten med et ubevegelig, ikke-lekkende, termisk stabilt fast materiale. Solid-state batterier har blitt den åpenbare "neste stasjonen" i batteriindustriens veikart for deres sikkerhet og energitetthet. Reisen til utbredt adopsjon har imidlertid vist seg unnvikende. Til tross for at US Oak Ridge National Laboratory skapte det første solid-state-batteriet så tidlig som i 1990, har konsekvente teknologiske hindringer vedvart.

I en verden av solid state-batterier er det tre hovedsystemer for faste elektrolyttmaterialer: polymerer, oksider og sulfider. Hver har sine egne styrker og svakheter, og alle må kjempe med produksjonsskalerbarheten og kvalitetskontrollutfordringene som ligger i kommersialisering.

Skeptikere håner elektriske kjøretøyers reduserte rekkevidde om vinteren på grunn av dagens væskebatteriers dårlige lavtemperaturytelse, mens den potensielle risikoen for forbrenning under lading om sommeren også er en bekymring. Dette understreker behovet for et sikrere, mer effektivt batteri som kan håndtere alle årstider.

Eksperimentering med 3D-utskrift for å lage komplekse strukturer for faste elektrolytter har vist noe lovende. For eksempel har forskere ved University of Oxford brukt 3D-utskrift til å konstruere et tredimensjonalt rammeverk, fylt med en solid elektrolytt, for å forbedre mekanisk styrke og forhindre lett brudd. På samme måte bruker det amerikanske selskapet Sakuu bindemiddelstråleteknologi for å deponere nødvendige elektrodematerialer og faste elektrolyttpulvere på et underlag og "størkne" dem med flytende reagenser.

Selv om 3D-utskrift kan tilby et middel til å utvide grensesnittets kontaktområde og kontrollere materialporøsiteten, er det fortsatt store hindringer å overvinne før disse eksperimentelle teknikkene kan transformeres til en levedyktig, masseprodusert løsning. Å balansere ytelse og kostnader, oppnå skalerbarhet og opprettholde strenge kvalitetskontrollstandarder er de truende utfordringene som holder disse lovende løsningene i laboratoriet i stedet for på veien.

Ettersom vi raser inn i en stadig mer elektrisk fremtid, holder de iboende risikoene og den konstante jakten på forbedrede sikkerhetstiltak industrien i endring. Til tross for de skremmende utfordringene, fortsetter marsjen mot en tryggere og mer effektiv elbilindustri, drevet av nådeløs innovasjon og engasjement for en bærekraftig fremtid. Som alltid vil New Yorker holde et skarpt øye med denne utviklingen, klar til å tilby innsikt og analyser på reisen fremover.