Waarom lithium-ionbatterijen kunnen ontbranden en zelfs exploderen

Pas op voor oververhitting van li-on batterijen ivm brandgevaar

Elektrische auto's of fietsen, mobiele telefoons, gereedschap, sigaretten, laptops of medische apparatuur: steeds meer voorwerpen werken op oplaadbare lithiumbatterijen. Het is belangrijk dat dit soort accu's niet oververhit raken zodat ze in brand kunnen vliegen. Hierdoor komen giftige gassen vrij. Juist om dit te voorkomen, zijn er twee richtlijnen verschenen: een voor een veilige werkwijze met lithium-ionbatterijen (PGS37-1) en een richtlijn voor een bedrijfsmatige opslag van lithium-ionbatterijen (PGS37-2).

Lithiumbatterijen/accu’s (oplaadbare) worden steeds meer gebruikt. Dit vanwege hun eigenschap grote hoeveelheden energie te kunnen leveren. Voorbeelden van lithiumbatterijen zijn: de batterijen in e-bikes en elektrische auto’s, batterijen in mobiele telefoons, tablets en laptops, batterijen in medische apparatuur en (knoopcel)batterijen in horloges en wearables.

Ook in de bouw wordt steeds meer handgereedschap uitgerust met lithiumbatterijen. Voordeel van dit handgereedschap is dat niet meer met snoeren ‘gehannest’ hoeft te worden, dat de lithiumbatterijen een zeer groot vermogen hebben en toch compact zijn en relatief veilig zijn op te laden (zie verder).

Door die grote energie-inhoud kleven er aan dit type batterijen/accu’s risico’s aan het gebruik en de opslag van lithiumbatterijen. Deze risico’s zijn dermate groot dat besloten is dit aspect op te nemen in een PGS-richtlijn over de bedrijfsmatige opslag van lithium-ionbatterijen en accu’s én op Energie Opslag Systemen (EOS) waarin grotere hoeveelheden energie worden opgeslagen (ook wel ‘buurtbatterij’ genoemd). Er bestaat nog maar weinig wet- en regelgeving voor lithium-ion batterijen.

Twee soorten lithiumbatterijen:

Er zijn twee soorten lithiumbatterijen:

Lithium-metaalbatterijen; deze zijn niet oplaadbaar. Bekende niet-oplaadbare lithiumbatterijen zijn gebaseerd op LiFePO4 en lithiumtitanaat. Een lithiummetaalbatterij mag nooit worden opgeladen, want dan kunnen zij oververhit raken, gaan lekken en zelfs ontploffen. Wat betreft het vervoer van lithiummetaalbatterijen zitten zij in klasse 9 van de ADR vervoerswetgeving. Batterijen zelf hebben UN-nummer 3090; lithium-metaalbatterijen in toestellen of verpakt bij toestellen hebben UN-nummer 3091.
Lithium-ionbatterijen (ook wel accu’s genoemd). Deze zijn wel oplaadbaar. Bekende Li-ion batterijen bevatten: lithiumcobaltoxide (LiCoO2) en lithiummangaanoxide batterij (LiMn2O4, Li2MnO3, of LMO). Lithium-ionbatterijen gebruiken lithiumverbindingen die veel stabieler zijn dan het elementaire lithium dat in lithiummetaalbatterijen wordt gebruikt. Lithium-ionbatterijen zijn er in vele soorten en maten. Zij zijn ontworpen om honderden keren opnieuw te worden opgeladen. Deze laatste techniek heeft snel aan terrein gewonnen sinds de opkomst van mobiele telefoons en wordt ook gebruikt in elektrische auto’s. Lithiumionbatterijen zitten eveneens in klasse 9 van de ADR vervoerswetgeving en hebben UN-nummer 3480.

Voor de batterijen bij het wegvervoer een speciaal pictogram gebruikt (zie afbeelding).

Werking van een lithium-ionbatterij

Een normale lithium-ionbatterij bestaat uit twee op elkaar gepakte elektroden: een koolstof anode en een lithiummetaaloxide kathode. Hiertussen bevindt zich een ultradun polymeerscheidingslaagje (de separator). Zoals de naam al zegt, moet de dat laagje ervoor zorgen dat de positieve en negatieve elektrodes elkaar niet raken.

Hieronder wordt de werking van het lithium-ionbatterij globaal weergegeven.

De negatieve elektrode bestaat uit poreus koolstof. Tijdens het laden worden de poriën van de koolstofelektrode (de anode) negatief geladen en ‘kruipen’ de positief geladen lithiumionen in deze poriën en hechten ze zich daaraan vast.

Tijdens het ontladen van de accu gebeurt net het omgekeerde: de lithiumionen bewegen dan naar de positieve elektrode (de kathode) van kobaltoxide (CoO2) of van mangaanoxide en gaan daar een binding aan met het kobaltoxide of mangaanoxide. Tijdens dit proces komen elektronen vrij, die via een elektrisch circuit naar de kathode gaan en voor stroom zorgen.

Zo bewegen de lithiumionen tussen de twee elektrodes heen en weer, steeds als de batterij beurtelings wordt ontladen en weer wordt opgeladen.

Gevaren/risico’s

Lithium-ionbatterijen (of accu’s) zijn relatief nieuw, kennen een heel breed gebruik en hebben in korte tijd een zeer grote vlucht genomen. Wat de meeste met elkaar gemeen hebben is dat zij volgens de PGS-organisatie 'instabiel kunnen worden bij overladen, diepontladen, hoge èn lage temperaturen (-20 > t > 60 Celcius) en slag of stoot. Dit kan in het ergste geval leiden tot kortsluiting, thermal runaway (een themische runaway reactie die oncontroleerbaar wordt) en brand, waarbij zeer giftige pyrolyseproducten vrijkomen.

Stoffen die kunnen vrijkomen, zijn onder meer oplosmiddelen, koolstofmonoxide, waterstof en waterstoffluoride, waarbij in geval van blootstelling, afhankelijk van de concentraties, ernstige gezondheidseffecten kunnen optreden. Er kunnen ook nog andere gevaarlijke stoffen vrijkomen die in de anode, kathode en het elektrolyt zijn verwerkt, afhankelijk van de tijdens de thermische runaway optredende reactieomstandigheden zoals temperatuur, druk en ga maar door.

Bij het blussen ontstaat corrosief en giftig bluswater waarbij ingezet personeel van de brandweer, andere hulpverleners, omstanders en bewoners blootgesteld kunnen worden.

Thermische runaway-reactie

Als het isolatielaagje (separator) tussen de polen beschadigd raakt, kan er kortsluiting ontstaan waardoor de ontvlambare elektrolytoplossing die de ionen transporteert, kan ontbranden. Het geeft een hoog brandrisico door de grote hoeveelheden energie die is opgeslagen in de cellen. Het gevaarlijkste bij een lithium-ionbatterij is dat daarbij een zelfversterkend chemisch proces ontstaat waarbij het lithium heftig gaat reageren met de andere metalen in de batterij, een zogenaamde thermische runaway-reactie genoemd. De vrijkomende gassen kunnen ontbranden en zelfs exploderen. Hierdoor kunnen grote hoeveelheden lithium-ionbatterijen, zelfs goed verpakt, een aanzienlijk brandrisico vormen.

Zo’n thermische runawayreactie wordt als het meest waarschijnlijke falen van een lithium-ionbatterij beschouwd. Oorzaken kunnen ook zijn beschadigingen (mechanische impact), bijvoorbeeld wanneer een zwaar voorwerp op een apparaat valt waarin een lithium-ionbatterij zit. Een val kan echter eveneens rechtstreeks de behuizing van een batterij breken. Het elektrolyt kan hierdoor uit de accu stromen en de afscheider kan eveneens kapot gaan, waarna kortsluiting onvermijdelijk is.

Mechanische beschadiging, elektrische storingen/kortsluiting of verwarming kunnen ook leiden tot lekkage van elektrolyten en zo tot een brand of een explosie leiden. Kleine ruimten met een hoge opslagdichtheid verhogen de kans op branduitbreiding en kunnen leiden tot een kettingreactie. Verbrandingsresten kunnen heftig reageren en zeer giftig zijn; afhankelijk van het elektrolyt is zelfs de vorming van zeer gevaarlijk zuur mogelijk.

Omdat lithium in combinatie met water een zeer explosief gas produceert, kunnen conventionele blussystemen in dit verband vaak niet worden gebruikt.

Wanneer de warmte in de batterij toeneemt, zal eveneens de druk stijgen. Als deze druk hoog genoeg is, kan de metalen behuizing van de accu kapot gaan en zal het elektrolyt in contact komen met andere componenten van bijvoorbeeld de smartphone.

Ook kan zo’n thermal runaway optreden door een fabricage/montagefout, overladen, diep-ontladen of veroudering.

Anders dan bij lood-zwavelzuuraccu’s ontstaat bij het opladen van lithium-ionbatterijen geen waterstof en worden daarom geen speciale bouwkundige eisen aan de oplaadplaatsen gesteld. Wel kunnen dienen enkele organisatorische preventiemaatregelen te worden genomen (zie onder).

Luchtvaartmaatschappijen of in afvalvoorzieningen

Exploderende lithium-ionbatterijen kunnen grote schade aanrichten op vluchten van luchtvaartmaatschappijen Wanneer dat dunne plastic vel breekt (bijvoorbeeld door te veel gedrang in het laadruim van een vliegtuig), kunnen de elektroden bij elkaar komen waardoor de batterij wordt kortgesloten. Dit produceert warmte, die het vloeibare elektrolyt kan doen ontbranden en een vuur ontstaat in het vrachtruim of in de afvalbunker.

Hetzelfde kan ook in afvalvoorzieningen voorkomen, nadat mensen hun oude elektronica in de prullenbak gooien.

Preventiemaatregelen

Enkele preventiemaatregelen zijn:

Voorkom overbelading van batterijen, bijvoorbeeld door deze na opladen uit de lader te halen of de lader te voorzien van een timer
Bij nagenoeg alle batterijen moeten de polen worden beschermd tegen kortsluiting, omdat hierdoor brand kan ontstaan. Bescherm de polen door deze volledig te bedekken met een isolerend, niet-geleidend materiaal (bijv. elektrische tape of door elke batterij afzonderlijk in een plastic zakje te stoppen), of verpak elke batterij in een volledig afgesloten binnenverpakking ter bescherming van blootgestelde polen.
Verpak de batterijen om pletten of beschadiging te voorkomen en om ervoor te zorgen dat ze niet gaan schuiven tijdens het transport. Als de batterijen gaan schuiven en mogelijk vallen, kunnen zij instabiel worden.
Houd metalen voorwerpen of andere materialen die kortsluiting van de polen kunnen veroorzaken altijd uit de buurt van de batterijen (gebruik bijvoorbeeld een aparte doos voor de batterijen).
Bij het hanteren van lithium-ionbatterijen voorkómen dat deze beschadigd raken of met elkaar kortsluiting kunnen veroorzaken.
Kleine ruimten met een hoge opslagdichtheid verhogen de kans op branduitbreiding en kunnen leiden tot een kettingreactie. Door de hoeveelheid aan batterijen dus beperkt te houden en de voorraden niet te dicht bij elkaar plaatsen, wordt deze kans kleiner.
De lithiumionbatterijen apart opslaan van zeer-brandgevaarlijke stoffen.
Bij opslagvoorzieningen van lithiumbatterijen kan gekozen worden voor een verlaagd zuurstofgehalte om de kans op het ontstaan van brand te verkleinen.
Oude lithiumbatterijen kunnen in een vat verzameld worden met vermiculitekorrels een steenachtig niet geleidend materiaal. Hiermee wordt voorkómen dat de polen tegen elkaar aan kunnen komen.
Bij bedrijven waar veel vervoersmiddelen worden gebruikt die als energiebron lithiumionbatterijen hebben, al anticiperen op een brand met deze batterijen. In het bedrijfsnoodplan al de scenario’s met deze branden beschrijven, waarin ook is aangegeven hoe dan te handelen. Voor bedrijven, instellingen met niet- of minder-zelfredzame mensen zoals ziekenhuizen, verpleeg- en verzorgingstehuizen is dit extra van belang.
Overweeg om in ondergrondse parkeergarages (of op parkeerdaken) geen laadpunten meer te plaatsen voor elektrische auto’s of fietsen.
Regel dat medewerkers hun accu’s van elektrische fietsen niet meer naar hun werkplek meenemen om daar op te laden, maar maak een oplaadfaciliteit in een buiten fietsenstalling. Slim kan zijn daarbij ook sloten ter beschikking te stellen en wandbeugels om elke accu vast te zetten (tegen diefstal).

Hoe ingrijpen bij brand?

Blussen met water heeft geen zin, sterker nog dit verergert de situatie alleen maar doordat er (licht-ontvlambaar) waterstof en corrosief lithiumoxide kan ontstaan. Het vrijkomende waterstof kan de brand sterk aanwakkeren en zelfs leiden tot de vorming van knalgas (waterstof-zuurstof mengsel) dat kan exploderen.

Wèl kan worden geblust met een speciale poederblusser voor metaalbranden. Deze bevat een speciale combinatie van bluszouten. Het gesmolten zout vormt een afdekkende laag die het metaal van verse zuurstof afsluit zodat de brand stopt. Het smelten van het bluspoeder onttrekt tevens warmte aan de brandhaard waardoor mogelijke herontsteking wordt voorkomen.

Een alternatief is blussen met zand, grafiet of zout (natriumchloride). De poeders zorgen ervoor dat zuurstof niet meer in aanraking komt met de bron en de warmte wordt weggeleid.

Ook kan de brand worden bestreden door het inzetten van aerosolen: een blusaerosol op basis van kaliumnitraat. Deze werkt niet door de brand te verstikken (het wegnemen van zuurstof) of door koeling, maar werkt doordat vrije radicalen worden gebonden. De blusaerosol verhindert het uitbreiden van de brand naar het polymeerscheidingslaagje (de separator). Hierdoor wordt voorkomen dat het brandbare elektrolyt vrijkomt. Daardoor is de kans van een zich doorontwikkelende brand (de thermische runaway-reactie) in de batterij met meer cellen in de kiem gesmoord.

Al met al zijn lithium-ionbatterijen fantastische batterijen, maar er zijn wel enkele voorzorgmaatregelen nodig om deze zonder risico’s (brandgevaar ligt op de loer) te gebruiken.

Twee richtlijnen

PGS37-1:

Deze PGS-richtlijn is van toepassing op het gebruik van een specifieke subset van energieopslagsystemen (EOS’en), namelijk EOS’en bestaande uit lithiumhoudende oplaadbare energiedragers die (in groepen) elektrisch met elkaar zijn verbonden met een totaal opgestelde capaciteit van meer dan 20 kWh. Dit sluit aan bij de ondergrens zoals genoemd in NFPA 855. Daarnaast bestaat het EOS uit randapparatuur zoals ventilatie en technische beveiliging. Een batterijmanagementsysteem (BMS) zorgt voor de goede en veilige werking van het EOS en maakt daar onlosmakelijk deel van uit.

Daarnaast bestaat het EOS uit randapparatuur zoals ventilatie en technische beveiliging. Een batterijmanagementsysteem (BMS) zorgt voor de goede en veilige werking van het EOS en maakt daar onlosmakelijk deel van uit.

Deze PGS37-1 is van toepassing op het EOS, inclusief randapparatuur en het batterij Management Systeem (BMS) vanaf het moment dat het EOS in gebruik wordt genomen. Zodra het EOS vermogen kan gaan opnemen of afgeven, wordt dit beschouwd als in gebruik genomen. EOS'en die in opbouw zijn, vallen noch onder PGS37-1 noch onder 37-2.

Deze PGS is van toepassing op zowel nieuwe, gebruikte als afgedankte EOS’en (afvalstadium) tot het moment dat het EOS buiten werking wordt gesteld.

Deze PGS37-1 richtlijn is niet van toepassing op: systemen die gebruikt worden door particulieren (zoals thuisbatterijen en gebruik in plezier-, vaar- of voertuigen). Voor een EOS met een energieopslagcapaciteit groter dan 20 kWh wordt aanbevolen de maatregelen uit deze PGS37-1 wel toe te passen.

PGS37-2

In de PGS37-2 Richtlijn voor de veilige opslag van lithium-houdende energiedragers zijn maatregelen opgenomen om de risico's van de opslag van lithium-houdende energiedragers te beheersen.

Deze PGS37-2 richtlijn is niet van toepassing op:

Werkvoorraad
Stalling van voertuigen, werktuigen en tweewielers waarin lithium-houdende energiedragers zijn verwerkt. Dit betreft bijvoorbeeld voertuigen die voor reparatie door de eigenaar zijn aangeboden. Echter, het stallen langer dan een week van niet in gebruik zijnde (bijvoorbeeld tweedehands) voertuigen, werktuigen en fietsen in een brandcompartiment (loods of magazijn), die niet toegankelijk is voor het publiek, valt wel onder het toepassingsgebied van deze richtlijn indien men boven grenzen komt.
Opladen van (grote hoeveelheden) energiedragers van elektrische fietsen of scooters bij bijvoorbeeld maaltijdbezorgers of deelscooter bedrijven. Dit laat onverlet dat, gezien het risico van een thermal runaway, aanbevolen wordt om de maatregelen van deze PGS richtlijn ook op deze activiteiten toe te passen.

In de PGS37-2 richtlijn worden verschillende opslaggroottes onderscheiden. Ook wordt een onderverdeling gemaakt naar type opslag en aard/status van energiedragers