For ikke så lenge siden publiserte Min energi en artikkel om batteribanker i hjemmet. Der konkluderte vi med at litiumbaserte batterier er langt mer kostnadseffektive enn blybaserte batterier, når vi ser på levetidskostnaden. Dette var det eneste kriteriet vi studerte i den artikkelen.
Litiumbatterier, også kalt Li-ion, er altså batteritypen vi finner i mobiler og annen bærbar teknologi, i elbiler og mange andre steder – fordi de er overlegne på energimengde i forhold til vekt og volum, og levetiden er også svært god. Men det er også risikoer forbundet til denne teknologien, og brannfaren er det som oftest trekkes fram.
Bygg egen batteribank: Litium knuser blybatterier på totalprisen
Siden den artikkelen ble publisert har det vært diskutert, innimellom ganske heftig, på vår Facebookside. Trådene har gått i flere retninger, men særlig sikkerheten knyttet til å ha en batteribank på mange kilowattimer har blitt friskt debattert. Noen frykter brannfaren litiumbaserte batterier representerer.
Brann og eksplosjon
Det er klart at ethvert energilager representerer en risiko. Konsentrert energi som frigjøres på kort tid vil ha konsekvenser, i de fleste tilfeller er varmeutvikling den viktigste. Om reaksjonen i tillegg inkluderer raskt ekspanderende gass, er også eksplosjon et tema. Dette gjør seg gjeldende for alle lager av energi med høy tetthet, som bensinkanner og -tanker, gassbeholdere – og batterier, selvfølgelig.
For batterier er det kjemien de er basert på, i tillegg til selve energimengden de inneholder, som utgjør risikoen. Et vanlig bilbatteri kan forårsake en eksplosjon, fordi det kan avgi hydrogengass både under opplading og ukontrollert utlading, for eksempel om batteriet kortsluttes. Hydrogengassen blander seg med lufta omkring, og da har vi eksplosiv knallgass. Om et slikt batteri eksploderer, vil svovelsyra i elektrolytten i tillegg bli kastet ut, så skadevirkningene av en ulykke med et blybatteri er både eksplosjonen og syreskadene.
Fakta: Slik virker det oppladbare batteriet
Den største faren som er knyttet til brann i Li-ion batterier, er fenomenet der batteriets temperatur løper løpsk – dette omtales som «thermal runaway» på engelsk. Dette er en kjedereaksjon som begynner med at temperaturen i batteriet blir for høy, for eksempel på grunn av overbelastning under opp- eller utlading, eller kvalitetsproblemer i produksjonen av batteriet. Den forhøyete temperaturen starter kjemiske prosesser i batteriet som avgir varme – eksoterme reaksjoner. Slik mater prosessen seg selv, og varmeutviklingen løper løpsk.
Bly, nikkel og litium - dette skiller batteri-familiene
Mange Li-ion-kjemier har i tillegg forbindelser, særlig i elektrolytten, som frigjør oksygen når det blir varmet opp. I en oksygenrik atmosfære brenner nesten hva som helst, og inni batteriet vil den høye temperaturen og oksygenet gjøre at det tar fyr – i et lukket batteri vil dette gjøre at batteriet eksploderer.
Kjemien avgjør
Det er den kjemiske sammensetningen av batteriet som avgjør hvor stor risikoen for ukontrollert temperaturøkning er – både hvor lav temperatur reaksjonen starter på, og hvor høy temperaturen kan bli, og hvor fort prosessen går. Her er det store forskjeller på de ulike Li-ion-kjemiene.
Det amerikanske halvstatlige forskningssenteret Sandia National Laboratories, som har sin opprinnelse fra Manhattan-prosjektet, der USA utviklet verdens første atomvåpen, har gjort flere studier på moderne batteriteknologier. Fokuset til laboratoriet er i tillegg til atomenergi nasjonal sikkerhet, i tillegg til at Sandia gjennomfører forskningsoppdrag for industriaktører. Thermal runaway i Li-ion-batterier har vært grundig testet og studert av laboratoriet.
Diagrammet under er sakset fra en Sandia-rapport, der fenomenet er dokumentert etter batterienes kjemiske sammensetning.
Det er mye å lære ut fra denne grafen:
- LCO (Litium koboltoksyd) begynner å løpe løpsk like under 150°C
- NCA (Litium nikkel kobolt aluminium) begynner på cirka 150°C
- Både LCO og NCA øker temperaturen med cirka 470°C per minutt
- NMC (Litium nikkel manganoksyd) starter på cirka 200°C
- NMC øker temperaturen med cirka 210°C per minutt
- LFP (Litium jernfosfat) starter prosessen ved cirka 210°C
- LFP øker temperaturen med cirka 1,6°C per minutt
Basert på disse resultatene er det såre enkelt å konkludere med at LFP-batterier (LiFePO4 kjemi) er de absolutt tryggeste Li-ion-batteriene på markedet. Tallene viser at LFP-batteriene er så å si immune mot thermal runaway under normale omstendigheter, og skjer det, så skjer det sakte, og med svært beskjeden temperaturøkning per minutt.
Siden Li-ion-batterier likevel har denne muligheten, så er alle batteripakker basert på disse teknologiene utstyrt med beskyttelseselektronikk – BMS «Battery management system» – som kobler batteriet bort om det overbelastes under lading og utlading. Dermed reduseres risikoen, og for LFP-batterier er det rimelig å si at kombinasjonen av batterikjemiens egenskaper og BMS på pakken, så er termisk stormløp umulig under normale omstendigheter.
Men hva med unormale omstendigheter?
Kræsjtesting av batterier
Det er altså mange som bekymrer seg for Litiumbatterier og brannfaren de representerer. Det er ikke så rart, siden vi i mange år har sett flust av historier i pressen om både mobiler og elbiler som tar fyr og brenner ukontrollert. Det vil gjerne leverandører og produsenter av litiumbatterier gjerne få nyansert, og det er mange videoer ute på nettet der resultatene av grov mishandling av batterier blir vist fram.
Disse to videoene er eksempler på dette. Den første viser hva som skjer dersom du tvinger en spiker gjennom et NMC-batteri og et LFP-batteri. Kommentarer er overflødige:
Denne videoen viser flere forskjellige typer mishandling av tre forskjellige batterityper. Videoen henviser til batteritypen «Litium polymer», med forkortelsen Li-pol. Dette er strengt tatt en beskrivelse av elektrolytten i batteriet, kjemien i disse batteriene er den samme som det vi finner i endel typer av Li-ion-batterier flest.
Siden batteriene i videoen er pakket i folie, antar vi at det dreier seg om LCO-batterier, slike som vi finner i bærbare datamaskiner, mobiltelefoner og nettbrett.
De andre to batteritypene vi ser i videoen er vanlige LiFePO4, og Litium-titan-batterier, LTO. LTO regnes som den aller tryggeste typen av Li-ion-batterier på markedet. De er likevel ikke særlig utbredt, fordi bruken av metallet titan gjør at denne batteritypen er svært dyr.
Så hva er konklusjonen? At det er svært dumt å kjøre en spiker gjennom mobilen eller laptopen din, er opplagt. I tillegg virker det klart at LiFePO4-batterier er tryggere enn litiumbatteriers generelle rykte. Som med alle andre energilagre må de behandles med omtanke, men det er sant for mye annet vi omgås med i hverdagen.