Wat is thermal runaway bij batterijopslag?

In een batterijcel ontstaat tijdens laden en ontladen warmte. Onder normale omstandigheden voert het systeem die warmte af. Thermal runaway begint wanneer de warmteproductie de warmte-afvoer overstijgt: de temperatuur stijgt, chemische reacties in de cel versnellen, en die reacties produceren opnieuw warmte. Het proces voedt zichzelf en kan leiden tot gasjevolutie, celzwelling of, in een slecht geval, brand.

Het begrip duidt een mechanisme aan, geen noodlot. Of het daadwerkelijk optreedt, hangt af van vele randvoorwaarden; verderop in deze pagina komen oorzaken en ontwerpmaatregelen aan bod. Een uitspraak “kan niet branden” is dan ook niet correct en wordt hier niet gedaan.

Aangezette oorzaken zijn mechanische beschadiging (zoals een punctie of impact), interne of externe kortsluiting, overladen of te ver ontladen buiten het operating window, en externe oververhitting. Ook cellen met fabricagefouten of interne lithium-plating kunnen een rol spelen. Vaak is het een combinatie van factoren die samen het warmte-evenwicht doet omslaan.

Een externe hittebron of een brandbare omgeving vergroot de kans dat een regiuneuze cel andere cellen meetrekt. Daarom zijn zowel de cel als de omgeving, de installatie en de besturing relevant; geen van de factoren alleen geeft het volledige plaatje. Wie een technologie als zodanig gevaarlijk voorstelt, houdt geen rekening met die samenhang.

Ontwerpen werken op meerdere niveaus. Op celniveau spelen de keuze van de chemie en de opslagtechnologie een rol: verschillende chemieën hebben een ander warmtegedrag. Op modulen systeemniveau worden maatregelen toegevoegd zoals thermische barrières tussen cellen, koel- of ventilatieconcepten, en constructieve afscherming om te voorkomen dat een ééne cel andere meetrekt.

Ook het operating window, waarbinnen de cel wordt gehouden, is onderdeel van het ontwerp. Dit soort maatregelen verkleint de kans op thermal runaway; zij sluiten het niet uit. Een systeem is daarmee niet explosievrij of gegarandeerd vrij van thermal runaway, maar de marge wordt breder.

Het Battery Management System (BMS) bewaakt spanningen, temperaturen en stromen op celniveau. Komt een waarde buiten het toegestane bereik, dan grijpt het BMS in door het laden of ontladen te beperken of te onderbreken. Een goede monitoring geeft bovendien inzicht in de staat van de cellen over tijd, zodat afschrijving of afwijkingen vroegtijdig zichtbaar worden.

Monitoring is controle, geen onoverkomelijke bescherming. Een BMS voorkomt veel situaties, maar past niet bij elke faalmodus en is daarom onderdeel van een breder veiligheidsontwerp. Het systeemnentwerk met PCS en EMS maakt bovendien dat op installatieniveau kan worden ingegrepen.

De gekozen chemie of opslagtechnologie bepaalt mede het warmtegedrag van een cel en hoe zij reageert op abnormaliteiten. Een elektrochemische batterij en een supercapacitor-gebaseerd systeem werken op een ander principe (zie supercapacitor), en kennen daardoor een ander risicokarakter. Dat verschil is echter geen algemene veiligheidsuitspraak: geen enkele technologie is per definitie brandvrij of gegarandeerd veilig.

Een verantwoorde afweging gebeurt productspecifiek en per toepassing. Daarbij hoort het meenemen van het ontwerp, de monitoring, de installatie en de omgeving (brandbare stoffen, ventilatie, brandblussing). Wie een technologie als gevaarlijk voorstelt of als gegarandeerd veilig, doet geen recht aan die combinatie.

Specifieke tests — zoals een punctie- of kortsluittest — laten zien hoe een cellenensemble onder gecontroleerde omstandigheden reageert op een éénmalige storing. Dergelijke tests onderbouwen ontwerpaanspraken voor die specifieke condities; zij zijn geen bewijs dat thermal runaway onder alle omstandigheden uitgesloten is, en geen algemene brandveiligheidsverklaring.

Let ook op het verschil tussen normen. EMC-normen gaan over elektromagnetische compatibiliteit en storingen, niet over brandveiligheid; zij mogen dus niet als brandveiligheidscertificaat worden gepresenteerd. Voor productspecifiek testmateriaal van de supercapacitor-gebaseerde productlijn kunt u voorzichtig kijken op de pagina technische documentatie en puncture- en kortsluittest.