De fleste har hørt hvor viktig det er å lade mobil tlf på et underlag som ikke brenner og ikke om natten. Hvordan er det da med elsykkelbatteri som kan ha 10 ganger mer effekt ? Den mest kjente og skremmende hendelsen ved ødelagt batteri er at det kan eksploderer i en brann. FØR dette skjer starter en oppvarming av batteriet som ikke kan stoppes. Det beskrives som «Thermal rundown» på engelsk eller «Termisk rusing» på norsk. Er ødelagt batteri vil også miste evnen til å motta den elektriske kapasiteten (Kwh) det gjorde da det var nytt. Årsaken til dette er ofte «plating» som er en kjemisk reaksjon som f.eks. skjer ved lading i lav temperatur, overlading, feil i batteriet, etc og derfor skaper metaller som igjen kan skape barrierer eller kortslutninger i batteriet. På vår 1.ste side har vi nevnt 10 tiltak som reduserer faren for brann i elsykkel batteri
Sjekk batteriet jevnlig. «Oppblåste» batterier er livsfarlig og må ikke benyttes eller lades.
Vi hos Pine Tree utvikler og produserer løsninger som skal hindre at Lithium batterier kan starte eksplosive branner. Som alle nå vet er slike eksplosive branner umulig å slukke på vanlig måte. Dette er branner som dessverre har tatt mange menneskeliv, – også i Norge. Vi har valgt å beskrive noen av årsakene til slike branner i denne artikkelen og hvorfor de som lader bør ta alle forhåndsregler.
Nedre Romerike Brann og Redning forteller i linken (https://nrbr.no/nyheter/doedsbrannogelsparkesykkel/) om bruk av uoriginale komponenter under lading som medførte en dødsbrann i Norge. Noe så «uskyldig» som bruk av feil kabel medførte katastrofen. Derfor bør ALLE benytte bare original deler fra kontakter til kabler og ladere for å begrense brannfaren.
Lithium baserte batterier har fått en utbredt bruk i alt fra klokker, elektroniske nøkler, telefoner, PC, verktøy, elsykler og elsparkesykler, biler, båter, – ja til og med fly, i praksis nesten alt av elektriske duppedingser som vi bruker. Fly har forøvrig ikke lov til å ta med f.eks. rullestoler med full ladete Lithiumbatterier pga brannfaren, så påse at batteriet ikke er fullt om du skal ut og reise.
Med bakgrunn i vår mangeårige erfaring fra arbeid med brann og eksplosjonsfare i olje og gass industrien samt det landbasert bedrift og privatmarkedet på land, har vi designet løsninger som kan temme ekstreme mengder energi, men også legge til rette med styrings elektronikk som hindrer at brann oppstår i utgangspunktet når BMC feiler (BMC står or Battery Management Control og beskrives av noen som BMS – Battery Managemnet System eller PCM – Power Control Module men også andre forkortelser). En av oppgavene er å kutte ladingen om temperaturen blir for høy.
PCM/BMC/BMS benyttes av alle de store seriøse batteriprodusentene. Men en svakhet er at produsenten ikke monterer temperatur sensor på alle cellene eller at en kontakt/loddepunkt eller kanskje en krets på printkort inne i batteriet feiler. Da kan det være andre celler blir oppvarmet og evt starte en brann. Et elsykkel batteri kan bestå av over 100 battericeller, som oftest av typen 18650. og det krever mange kontaktpunkter der en feil er nok for en katastrofe.
For de som leser engelskspråklige artikler er det også andre forkortelser som benyttes. 2 mye brukte forkortelser er DOD som står for Depth Of Discharge eller grad av utlading dvs gjenværende kapasitet på norsk. SOC står for State of Charge, dvs graden av lagring ( % av full ladekapasitet). Begge verdiene påvirker batterienes levetid og evt fare for brann.
Andre batterityper kan også brenne
Men alt fra små tradisjonelle 1,5V Alkaline batterier (som består av bl.a. Nikkel og Magnesium) som i årevis har blitt brukt i leker, radio/audio løsninger, fjernkontroller, etc kan i teorien også antenne. Slike branner oppstår fortsatt om en ikke isolerer +/- polene på batteriene før de kastes. Vær så snill og sett en tape over batteripolene (de 2 kontakt punktene) før batteriene kastes i egnet mottaksløsing (dagligvare butikker, etc). At det er mindre energi i de gamle batteriene vi kaster er ingen lovlig grunn for å ikke ta hensyn til brannfaren.
Mange har også opplevd branner i blybatterier som f.eks. brukes i biler med forbrenningsmotor, men også som startbatteri i elektriske biler. Slike batterier brukes også i motorsykler, etc. I denne artikkelen skal vi imidlertid konsentrere oss om Lithium batterier fordi trenden er at disse overtar pga den store energi mengden som lagres i forhold til størrelsen. Lithium batterier som brukes i elsykkel og elsparkesykkel er som oftest basert på battericeller av typen 18650.
For å forstå hvordan feil oppstår må vi vite hvordan batteriene er bygd opp
Vi har sett beskrivelser av batterier bestående 13-14 forskjellige «lag» med materialer. Vi velger å gjøre det mye enklere fordi vi ikke skal gå i dybden på material bruk, men nok til å beskrive noen av årsakene til at det oppstår brann. At beskrivelsen blir enkel medfører at det også blir en feil ettersom ladbare batterier (som f.eks. Lithium) bytter polaritet avhengig om batteriet lades eller om det brukes (tappes for strøm). Dette tilsier at beskrivelsene anode og Katode byttes.
Et typisk bilbatteri i bly for tradisjonelle biler med forbrenningsmotor er på 600-900 watt. Til sammenlikning er batterier for elbiler på 40.000 til 100.000 watt. De små Alkaline og bly batterier trenger oksygen for å brenne. Det behøver ikke Lithium det ettersom de ved brann generer sin egen oksygen som gjør at Lithium batteriene også kan brenne under vann. Selv om elsykkel er tyngre enn en vanlig sykkel ville det vært helt umulig å ta i bruk bly batteri. Det vill gitt en vekt på 60 kg bare for batteriet om Lithium skulle erstattes.
Mobiltelefoner
Dette er egentlig ikke det vi har fokus på, men unngå å ha mobil telefonen i baklomma eller andre steder der den kan bli bøyd noen millimeter. Disse millimeterne kan gi tilsvarende skader som batteriene på en sparkesykkel/elsykkel får pga behandlingen de får pga slag og risting. Både membran og styringselekronikk (BMC) inne i batteriene kan ødelegges slik at brann oppstår. Vi har alle hørt hvor viktig det er å lade mobil tlf på et underlag som ikke brenner, men ettersom sykkelbatterier innehold opp mot 50 ganger mer effekt er det enkelt å forstå viktigheten av å lade elsykkelbatteriet riktig. Du finner massevis av eksempler på bilbranner på nettet.
Oppbygging av batterier
Oppbygging av batterier er forholdsvis like uansett type med unntak av materialvalget i batteriene. Den største forskjellen utover materialene er at oppladbare batterier endrer polaritet avhengig om det lader eller tappes for strøm dette betyr at det som f.eks er en minus (-) pol ved lading går over til å bli en pluss (+) pol når en bruker en elsykkelen (eller andre oppladbare enheter). Dette og en hel del andre detaljer har vi valgt å ikke ta med i tegningen (fig 1) og beskrivelsen av batteriet da vi ikke anser dette som sentralt for å forstå virkemåten (det finnes en mengde beskrivelser i bilder, tekst og video på nettet for de som er spesielt interessert i kjemiske benevnelser, hvordan elektroner flytter seg, etc).
ScienceDirect har laget modeller basert på parallell koblet battericeller. I den undersøkelsen oppdaget de bl.a. at:
- Temperatur forskjellen mellom celler medfører ubalanse ved utlading/bruk og aldring.
- Store temperaturforskjeller resulterer i forholdsvis store tap av kapasiteten i batteripakkene.
4 årsaker til batteribrann
Vi har valgt å dele opp årsakene til brann i 3 grupper. Hver av disse gruppene er imidlertid nært knyttet til hverandre ettersom de kan være avhengig av hverandre. Om en ting skjer så skjer også noe annet. Derfor vil antagelig noen vil si det ikke er så mange årsaker mens andre vil si at der er flere årsaker.
- Høy temperatur. Høy temperatur i et batteri kan ødelegge komponenter i batteriet. Høy temperatur kan gi følgefeil som ikke bør skje. Batterier blir alltid varme ved lang tids bruk. Kanskje har du selv kjent varmen fra din mobiltelefon ved lengre telefonsamtaler, surfing eller lading. De som har sett filmer på mobil telefonen kjenner igjen dette. Nedenfor er en grafisk fremstilling for når et batteri eksploderer pga varme. Unngå lading rett etter bruk når batteriene er varme og om mulig ikke legg et batteri i vinduskarmeneller andre steder utsatt for sol for lading. Høy innvendig temperatur kan være årsak til at elektronikken som styrer ladekontrollen (BMC) feiler. Vær oppmerksom på at et batteri som nylig har blitt brukt til en sykkeltur kan ha en innvendig temperatur som er vesentlig høyere en det som føles på utsiden. I slike tilfeller bør batterier derfor ikke lades umiddelbart etter en sykkeltur om en kan kjenne at batteriet er varmt.
- Lav temperatur. «Normalt» vil elektrisk lede evne bli bedre ved lave temperaturer, men ikke for lading av Lithium batterier. Årsaken er at Lithium delen av batteriet ligger i en delvis flytende gel. Ved lav temperatur vil denne gelen bli tykkere og bremse overføringshastigheten av Ioner. Pga dette vil det kunne genereres et tynt metall lag, også kalt «plating» som etter en tid kan redusere batterikapasiteten eller skape kortslutning ved at det oppstår denritter på denne platingen . Dette er samme årsak til at elbiler med oppvarming av batteri på vinteren får til raskere lading. Ved plating, som oppstår ved kuldegrader og genererer dendritter. Dette er små nål liknende metall strukturer som etter hvert vil trenge gjennom separator mellom anode og katode og skaper til slutt en kortslutning. Dette er stadiet før det er for sent mht brann. Den andre veien, dvs å bruke et batteri i kulde går fint og tester er gjort ned til -40°C, men effekten på sykkelen kan bli redusert.
- Feil på elektronikk. Å benytte originaldeler er viktig. I linken høyere opp er det noe så «uskyldig» som feil kabel. Dette kan skje om en ikke finner riktig kabel men benytter en annen som ser ut til å passe mht kontaktene. Å merke originalkablene som fulgte med laderen kan derfor være en enkel men viktig ting som kan forhindre katastrofe.
Høykvalitets batterier har noe som kalles BMC – Battery Management Control (også beskrevet som BMS). Det er litt forskjellig fra produsent til produsent hva denne gjør, men typiske oppgaver kan være å måle hvor mye strøm som er igjen på batteriet, temperatur i batteriet, når lading skal stoppe, etc. Med andre ladere enn den levert av av batterileverandøren kan det oppstå problemer både mht forskjellige komponenter som brukes og andre problemer. Temperatur er forøvrig en fiende for all elektronikk og varig feil kan oppstå hvis batteriet blir for varmt gjentatte ganger. Dette er en av flere årsaker til at bare lader fra batterileverandør bør benyttes. Når BMC elektronikken feiler fungerer heller ikke sikkerheten ved lading. - Små, men kritiske, fysiske feil i materialene som benyttes i batteriene. Dette er feil som kan oppstå rent kjemisk over tid selv om batteriet ikke brukes og derfor føre til at batterier kan feile under lagring der en ikke har oppsyn med batteriet. Slike feil oppstår også ved bruk med mye slag og vibrasjoner. Typisk eksempler er opp og ned fra fortauskanter men kan også oppstå pga risting ved bruk på landevei, etc.
Tegningen nedenfor beskriver det som for mange beskrives som ideal temperaturer ved lading. Vi har imidlertid gjort et avvik mht høyeste temperatur ettersom flere referer til omgivelse temperatur og ikke batteriets innvendige temperatur. Vi har derfor redusert ideell lade temperatur til omgivelse temperatur ettersom temperaturen i batteriet kan være vesentlig høyere ved enkelte anledninger. Typisk lading med direkte sol om sommeren og evt enda verre om det lades i en lukket enhet som utsettes for sollys. Vi vet alle om den ekstreme varmen vi kan oppleve en fin sommerdag når bile har stått noen timer i sola.
Hva skjer inni batteriene
Men som nevnte er det ofte kombinasjoner av disse problemene er avarter som skjer. Batteriene består av utrolig mange komponenter der Lithium er den dyreste og det materialet som beskrives som katode for batteriene. I virkeligheten består Lithium delen av et slikt batteri av en blanding av flere materialer som bl.a Nikkel, Cobolt og annet, bl.a. for å få ned prisen. Ulempen med dette er at f.eks store mengder Nikkel i Lithium kan få materialene i batteriet til å sprekke opp og bl.a. reduserer antall ladinger batteriet kan håndtere. Men det er funnet løsninger på dette som alle de store seriøse batteriprodusentene bruker.
Det spesielle ved Lithium er at det går an å styre antall elektroner slik at materialet kan avgi og motta Ioner avhengig om batteriet lades eller brukes. Det betyr i praksis at det som vanligvis er + og – poler på ikke oppladbare batterier da ikke lenger er henholdsvis positiv og negativ og Katoden som avgir strøm i batterier som ikke kan lades blir da en Anode.
Anoden er i hovedsak produsert av grafitt. Isteden for å benytte + og – poler benyttes beskrivelsen J og K elektroder (må ikke sammenliknes med J K vipper som også er en benevnelse porter brukt i logiske elektroniske kretser, men med enkelte likhetstrekk med batteri elektroder).
Beskrivelse av Anode og Katode er derfor bevisst gjort om hverandre for å ha en samtidig beskrivelse av f.eks. Alkaline og Blybatterier som også brenner innimellom (men ikke like kraftig som Lithium). Lave temperaturer for et materiale øke lede evnen mens materialet som skal ta imot kanskje ikke har evnen til å ta imot så mye strøm. Dette fører til at Lithium Ioner står i kø for å trenge gjennom en separator mellom + og – (Anode og Katode). Slik opplading vil skape et varmeproblem når Ionene beveger for å overtale mottager til å gi dem plass. Da blir batteriet varmt. Men separatoren har også evnen til å lukke seg om temperaturen blir for høy eller den er fysisk skadet og lukker seg tidlig. Da får vi en selvforsterkende løsning. Dette er med på å skape den mye omtalte Thermal Rundown (termisk rusing på norsk) som kan skape en eksplosive brann.
Det samme skjer ved det som kalles overlading. Når batteriet er nesten fulladet beveger elektronene seg for å finne plass i den delen som, tar imot ladingen. Men når batteriet når f.eks. 80-90% av ladingen blir det mer og mer krevende for elektronene å finne ledig plass. Dette gjør at det tar mer tid å lade ett nesten full ladet batteri. Hvis 100% lading skjer ofte kan det gi en «slitasje» hos mottageren og det som kalles «overlading» kan oppstå. Batteriet «eksploderer» da i flammer for å slippe ut energien.
No av det farligste ved en slik eksplosjon (også kalt Thermic runway på engelsk) er røyken som oppstår. Vi har derfor også skrevet litt om faren ved røyk fra elsykkel batterier.
Fysisk plassering under lading og transport
For å sikre at batteripolene ikke kortsluttes ved lagring må en unngå ledende materialer nær elektrodene, dvs kontaktene på batteriet. Dette er kritisk for et batteri med så mye energi som et Lithium batteri. Unngå å legge batteriet i f.eks. et bagasjerom eller et skap med mye metalldeler som verktøy etc.
Vi hos Pine Tree har derfor kledd våre lade enheter innvendig med et materiale som isolerer mot enorme spenninger og strømmer. Dette betyr at en skal sikre at en metall boks for lagring ikke er designet slik at kortslutning kan oppstå. Påse at det ikke er materialer som metall som kan komme i kontakt med kontaktene ved transport. Å transportere batteri med Pine Tree er en sikker løsning fremfor å legge batteriet i f.eks. et bagasjerom eller et skap med mye metalldeler som verktøy etc. Vær også forsiktig mht å ha batteriene åpne i båt ettersom saltvann er ledende og batteriene må derfor beskyttes mot dette under f.eks. transport eller lagring.
Slukking
Å slukke en Lithium batteribrann med tradisjonelle slukkemidler er idag tilnærmet umulig og forsøk på dette bør overlates til brannvesenet. Ettersom det i skrivende stund ikke finnes godkjent slukkemiddel for Lithium batterier velger brannvesenet som oftest å forsøke kjøling. Derfor er det viktig om mulig å begrenser muligheten for at brann oppstår eller isolerer en brann for å hindre at den sprer seg. Vil du vite mer om de løsningene vi har for dette er det bare å kontakte oss.
For de som vil vite mer om brann gasser (dvs gasser som oppstår ved brann i lithium batteri i dette tilfellet) har vi beskrevet dette på en egen nettside.