Safety comes first

Workshop om hur förhindra termisk rusning

Den rapport som nyligen publicerades är en sammanfattning av de viktigaste diskussionerna, slutsatserna och resultaten från en workshop som anordnades av JRC i mars i år. Rapporten går att ladda ner här. Workshopen med titeln: ”Safer Li-ion batteries by preventing thermal propagation?” hölls inom ramen för JRCs Exploratory Research Programme [1] och var en plattform där olika aktörer utbyte idéer och forskningsbehov relaterat till termisk propagering: nya testmetoder, policy- och standardiseringsfrågor, samt brainstorming kring potentiella effekter hur förhindra termisk spridning.

Avsikten med workshopen var inte bara att diskutera och utbyta erfarenheter kring nuvarande metodiken kring batterisäkerhetstestning, utan att försöka komma fram till nya sätt att förhindra termisk propagering. Sessionerna under mötet täckte in allt från mekanismer kring termisk rusning, vilka faktorer som påverkar, testmetoder för intern och extern kortslutning, samt metoder för att detektera, mildra och förhindra termisk rusning. Även kostnadsaspekter av att försöka mildra termisk propagering diskuterades. Alla presentationer från workshopen finns att ladda ner här.

Definitioner saknas, vilket gör att det ej går att skilja på orsakerna bakom felfallen

Det finns ett behov av en harmoniserad definition av termisk rusning (thermal runaway på engelska). Olika möjliga definition är t.ex. temperaturökningshastighet, förekomst av spontan cellöppning (venting på engelska), omvandlad energi som fraktion av den totala cellens kemiska energiinnehåll. Om det fanns en mer detaljerad förståelse kring mekanismerna för termisk rusning, skulle kunna göra det möjligt att skilja mellan olika typer av termisk rusning.

Testning av värmeutveckling svårt att efterlikna i lab

Eftersom det inte finns något enkel och tydlig definition avspeglar testerna en mer generell propagering än en robust metod för felfall i en enskild cell. Vidare saknas det en tillförlitlig och praktisk testmetod för att påtvinga interna kortslutningar i en Li-jonceller som ger svar som efterliknar de fel som uppstår i fordon. Uppvärmning av celler den metod som föreslås i de flesta standarder, men hur dessa tester genomförs påverkar starkt resultatet. Det finns scenaria där endast ett fel uppstår i cell, medan det i andra scenaria är åtminstone två fel som ska uppstå (t.ex. fel inne i cellen, fel orsakade av BMS, mekanisk åverkan). Termisk propagering i de senare fallen är svårare att testa. Därför är det viktigt att utveckla lämpliga testmetoder och standarder. Det behöver även vara klargjort på vilken nivå testerna ska utföras (cell, modul, pack, eller komplett installation) för att ge representativa resultat för att kunna bedöma säkerheten i själva applikationen.

Tester svåra att jämföra och reproducera

Det finns en stor variation i kraven för godkänt/icke-godkänt i olika standarder, vilket gör att det är svårt att jämföra olika testmetoder och testresultat. Även kan det vara svårt att förstå betydelsen av resultaten, huruvida en termisk propagering sker beror på skillnaden mellan tillförd värme och den värme som tas upp av en angränsande cell. Ur en statistisk synvinkel är detta en svår situation att testa, eftersom en relativt liten förändring av värmeflödet (in eller ut) kan drastiskt förändra testresultatet. Följaktligen måste det noggrant utvärderas hur ofta ett test behöver upprepas för att få ett tillförlitligt testresultat, dvs. en relevant bedömning av säkerhetsnivån. 

Även cellernas och batteripackets ålder spelar roll för testresultaten, men resultaten är inte konsekventa mellan nya och gamla celler/pack. Därför bör termiska propageringstester också utföras på åldrade celler/pack med tanke på eventuell andrahandsanvändning. Sådana tester är svåra att genomföra inom de ganska korta utvecklingscyklerna och leder till extra kostnader. Ytterligare arbete krävs därför för att definiera standardiserade testmetoder avseende termisk propagering.

Verktyg för att upptäcka fel viktigt

Framsteg har gjorts för att ta fram simulerings- och modelleringsverktyg, vilket har hjälpt till att göra testningen mer representativ och mer relevant. Modelleringsverktygen kan även stödja testning med t.ex. val av initieringscell. Det finns dock behov av mer exakta och snabbare detekteringsverktyg för att tidigt upptäcka felfall. Detta skulle förbättra övervakningen ur ett säkerhetsperspektiv. 

Rapporten avslutar med att konstatera att det finns många sätt som bidrar till att minska eller eliminera konsekvenserna av termisk propagering och/eller termisk rusning genom nya och förbättrade material för elektroder, elektrolyter, separatorer, beläggningar etc.

Att reducera riskerna relaterade till termisk propagering/rusning kräver dock en helhetssyn med kunskap om celler, moduler, batteripack och inte minst applikation. Att definiera åtgärder på en nivå oberoende av andra nivåer kan leda till höga kostnad och/eller begränsad säkerhetsförbättring.

Egna kommentarer

Det finns ibland en allmän tro på att vissa celler är ”säkra”, vilket är helt fel. En cell kan vara ”säkrare” än en annan, men ändå kan motsvarande batteripack vara ”osäkrare” och det krävs en övergripande säkerhetsbedömning. Därför är denna typ av rapporter viktiga som visar på brister i vårt arbetssätt att ta fram säkrare elfordon. Det är en gedigen rapport med många vinklar på ett viktigt område. Många relevanta referenser finns samlade och beskrivningar av olika vinklar på säkerhetsproblematiken, samt olika åtgärder (t.ex. en genomgång av olika kylsystem, hur långt isär celler bör placeras, osv.). 

Det jag saknar är konkreta åtgärder – Hur ska vi gå till väga med att ta fram bättre och mer relevanta testmetoder? Vad kan forskare åstadkomma och vad kan fordonstillverkarna bidra med?

Det är viktigt att arbetet täcker in alla typer av batteriteknologier och varianter, även framtida. Rapporten ägnar en del till att belysa solid-state-batterier, men bara de som baseras på oorganiska material (keramer), men även kort om Li-svavelbatterier.

Det fortsatta arbetet är viktigt och som vi alla bör följa. 

[1] JRC Strategy 2030. länk (pdf)