Brandrisico’s van lithium-ion batterijen

Lithium-ion (Li-ion) batterijen vormen het hart van de hedendaagse moderne mobiele technologie. Ze worden op grote schaal toegepast in smartphones, laptops, elektrische voertuigen (EV’s), drones, e-bikes en energieopslagsystemen. De populariteit is grotendeels te danken aan de hoge energiedichtheid, lange levensduur en lage zelfontlading. Maar, de groeiende inzet van Li-ion batterijen heeft geleid tot toenemende zorgen over hun veiligheid, met name op het gebied van brandrisico’s.

In dit artikel worden de potentiële brandrisico’s van lithium-ion batterijen beschreven.

Opbouw en werkingsprincipe van lithium-ion batterijen

Lithium-ion batterijen bestaan uit een viertal hoofdcomponenten:

1. Anode – meestal grafiet, waarin lithiumionen worden opgeslagen tijdens het laden.
2. Kathode – veelal gemaakt uit lithium-metaaloxiden zoals lithium-kobaltoxide, lithium-ijzerfosfaat of andere lithiumverbindingen,
3. Elektrolyt – een organisch oplosmiddel met lithiumzouten, welke de ionenmobiliteit mogelijk maakt.
4. Separator – een polymeerfilm die anode en kathode fysiek scheidt.

Tijdens het laden migreren lithiumionen van de kathode naar de anode en tijdens de ontlading gebeurt het omgekeerde.

De elektrolyt is licht ontvlambaar en bevat vluchtige organische stoffen zoals ethyleencarbonaat en dimethylcarbonaat. In combinatie met hoge spanningen en temperaturen vormt dit een potentieel brandbare omgeving.

Thermische Runaway

De grootste brandrisico’s van Li-ion batterijen zijn verbonden aan een fenomeen genaamd thermische runaway. Dit is een zichzelf versterkend proces waarbij de temperatuur in de cel snel stijgt, wat kan leiden tot het vrijkomen van gassen, brand of zelfs een explosie. De kern van dit proces ligt in de reacties binnen de cel wanneer deze beschadigd of oververhit kunnen raken.

Thermische runaway kan veroorzaakt worden door bijvoorbeeld:

• Mechanische schade: zoals doorboring, vallen of botsingen van de batterij wat kan leiden tot kortsluiting tussen de anode en kathode.
• Elektrische overstress: hierbij moet gedacht worden aan overladen, diepontlading of snelladen met kans op kortsluiting.
• Thermische belasting: oververhitting door omgevingstemperaturen of onvoldoende koeling kunnen leiden tot oververhitting van de cel.
• Fabricagefouten en degradatie: zoals verontreiniging, productiefouten of materiaalfouten. Veroudering van batterijen leidt tot verminderde prestaties en verhoogde gevoeligheid.

Wanneer de zichzelf versterkende temperatuurstijging binnen de batterijcel eenmaal aan de gang is, kan de warmte die vrijkomt de naburige cellen aansteken en wat kan leiden tot een cascade-effect.

De snelheid en hevigheid kan het bijzonder moeilijk maken om een eenmaal begonnen thermische runaway te stoppen.

Incidenten en statistieken

Brandincidenten met lithium-ion batterijen zijn frequent en kunnen ernstige schade veroorzaken. Volgens gegevens van de Nederlandse Onderzoeksraad voor Veiligheid zijn er in de afgelopen jaren duizenden incidenten wereldwijd gerapporteerd in uiteenlopende toepassingen. In Nederland alleen al waren er in 2023 meer dan 200 woningbranden gerelateerd aan e-bikes en accu’s.

Uitdagingen voor hulpdiensten

Het blussen van litium-ion batterijbranden is bijzonder complex en wijkt sterk af van de conventionele brandbestrijding. De verbranding gaat gepaard met hoge temperaturen (tot meer dan 1200°C), giftige dampen die vrijkomen en kans op explosieve gasvorming. De batterijen kunnen herhaaldelijk opnieuw ontbranden (re-ignition), zelfs uren na een ogenschijnlijke blussing.

Wat kunnen zoal de gevaren voor de hulpdiensten (brandweer) zijn.

• De toegang tot brandhaard: batterijcellen zijn vaak afgesloten in een metalen behuizing.
• Giftige dampen: tijdens ontbranding komen zeer giftige stoffen vrij, waaronder HF (waterstoffluoride), koolmonoxide, en organische verbindingen.
• Thermische runaway in cascade: in pakketten of modules kan een enkele cel thermische runaway opwekken in naburige cellen.

Blussing vereist vaak langdurige koeling met grote hoeveelheden water en het plaatsen van batterijpakketten in speciale dompelcontainers of koelbakken. In sommige gevallen worden wrakken van EV’s onder water geplaatst gedurende 24 tot 72 uur om herontsteking te voorkomen.

Welke preventieve maatregelen en innovaties kunnen genomen worden?

Verschil kan worden gemaakt in preventieve maatregelen op gebruikersniveau en op (nieuwe) innovaties.

Voor het gebruikersniveau kan het volgende gedacht worden:

• Gebruik uitsluitend originele laders en batterijen.
• Laad de batterijen niet ’s nachts op of zonder toezicht.
• Vermijd blootstelling aan hoge temperaturen of vocht.
• Gooi beschadigde of opgeblazen batterijen niet in de prullenbak, maar voer deze op een correcte manier af.

Voor de Industriële en systemische innovaties kan aan het volgende gedacht worden:

• Solid-state batterijen: vaste elektrolyten kunnen thermische runaway vrijwel elimineren.
• Battery Management Systems (BMS): intelligente systemen die lading, temperatuur en spanningen monitoren om gevaarlijke situaties te vermijden.
• Vlamvertragende elektrolyten: onderzoek naar elektrolytformuleringen met lagere ontvlambaarheid.
• Moduleontwerp: ontwikkeling van thermisch geïsoleerde celmodules die cascade-effecten beperken.
• Sensoriek en AI: vroegtijdige detectie van afwijkingen zoals gasvorming, microkortsluitingen of celzwelling.

Conclusie

Lithium-ion batterijen zijn cruciale technologieën voor een duurzame en mobiele toekomst. Tegelijkertijd brengen ze aanzienlijke brandrisico’s met zich mee die niet mogen worden onderschat. Door inzicht te hebben in de oorzaken van thermische runaway, aandacht te besteden aan veilige toepassing en gebruik te maken van technologische innovaties, kunnen deze risico’s effectief worden beheerst. Verdere ontwikkeling van regelgeving, voorlichting aan consumenten en investeringen in veilige opslag- en blusmethoden zijn daarbij essentieel.

Mocht u na het lezen van deze kennispublicatie aanvullende vragen hebben dan kunt u uiteraard contact met ons opnemen.

Leer meer over de brandveiligheidsvoorschriften

Om een volledig inzicht te krijgen in de geldende brandveiligheidsvoorschriften vanuit de bouwregelgeving wordt vanuit onze zusterorganisatie Obex Opleidingen de opleiding ‘Brandpreventiedeskundige 1’ aangeboden. De opleiding ‘Brandpreventiedeskundige 1’ geeft een volledig en integraal beeld van brandveiligheid. Hiermee ligt de nadruk op het toetsen van brandveiligheid op juridisch, bouwkundig, installatietechnisch en organisatorisch gebied. Deze is in eerste instantie gericht op de voorschriften vanuit het Besluit bouwwerken leefomgeving, maar gaat ook in op risico’s die in de huidige maatschappij aanwezig zijn, zoals in deze publicatie omschreven.