av Daniel Brandell
Flera offentliga myndigheter förbjöd under 2024 sina anställda att ta in Li-jonbatterier till elcyklar, åkbrädor och andra lättare fordon in i sina lokaler – t ex Uppsala Universitet [1]. Antingen får det stöldbegärliga batteriet sitta kvar ute i fordonet på parkeringsplatsen, eller så får enskilda ta sig till jobb eller studier på annat sätt.
Man kan ha åsikter om dessa förbud: batteriolyckor är mycket sällsynta, och nästan obefintliga när batteriet inte laddas. Samtidigt är det fritt fram för mobiltelefoner och laptops med snarlika batterier – vilka faktiskt tillåts laddas i samma lokaler, trots att säkerhetsrisken då rimligen borde vara större, även om den är försvinnande liten. Behovet av att minska klimatpåverkan är fortsatt stor, och elektrifierade transporter är ett bra alternativ för många som inte kan gå och cykla konventionellt, pga avstånd, terräng, behov av att lämna barn, eller annat. Och trafikmässigt och med hänsyn till energiförbrukningen är dessa lätta fordon att föredra framför de mycket större och klumpigare bilarna. Men: ett fulladdat Li-jonbatteri innehåller en avsevärd mängd energi redo att sättas fri, och dessutom mycket brandfarliga vätskor som gör att en brand kan sprida sig snabbt. Det finns gott om videor att se på internet där de mest dramatiska olyckor sker med kommersiella Li-jonbatterier, utan till synes någon större yttre påverkan, men som sker som rena olyckor. Till råga på allt innehåller Li-jonbatterierna en komplex mixtur av kemikalier och material, och under explosiva förlopp kan det inte uteslutas att toxiska och miljöfarliga substanser bildas och sprids. I ett kompromissande mellan minskad klimatpåverkan via elektromobilitet och säkerhetsaspekter avseende Li-jonbatterier har myndighets-Sverige börjat luta åt att prioritera det senare. Vi får se var det slutar.
Intresset för batterisäkerhet har ökat markant under senare år. Detta nyhetsbrev har t ex tidigare skrivit om batterisäkerhet, och då kunnat konstatera att olyckor med elfordon är avsevärt underrepresenterade jämfört med fordon med förbränningsmotor, nästan oavsett hur de jämförs [2]. Ändå får batteriolyckor i elfordon mycket uppmärksamhet i medierna, då nyhetsvärdet är stort, och lyckas alltså skrämma upp både enskilda och ansvariga. I höstas arrangerade Swedish Electromobility Centre (SEC) en konferens i Borås på temat batterisäkerhet. Forskningsfältet växer parallellt med intresset, och idag finns aktiva doktorander inom området vid Uppsala Universitet och Lunds Universitet. Compel-samarbetet, som täcker akademisk forskning längs hela batteriets värdekedja, har batterisäkerhet som en uttalad del av sin forskningsverksamhet [3].
Enklare batterifel, där batteriet förlorar i kapacitet eller slutar att fungera, är någorlunda vanliga, och kan vara nog så irriterande för konsumenten. Men allvarliga batteriolyckor, där batteriet exploderar eller självantänder ska normalt sett inte kunna ske, och är också mycket sällsynta. Det finns flera inbyggda säkerhetsmekanismer i cellen som hindrar de allvarliga förlopp som kan uppstå, och som motverkar så kallad termisk rusning då batteriet reagerar okontrollerbart och frigör mycket energi på kort tid [4]. Det är när det uppstår tecken på reaktioner som kan orsaka termiska rusning, som kemiska mekanismer kickar in för att kortsluta cellen internt och göra den obrukbar – men förhindra en större olycka. För större batteripack, som i fordon, finns också sensorer och externa kontrollsystem i batteriets BMS (battery management system) som ska detektera och motverka fel och olyckor. Ändå finns ett antal allvarliga fel som kan uppstå, och orsaka olyckor: vid mekaniska skador, elektriska fel, eller termiska missförhållanden [5]. Dessa är olika vanliga för olika användningsområden, och kan bero på hur sofistikerad BMS som används, kvaliteten på cellerna, cellformatet, och hur celler och pack designas och placeras i fordonet eller i andra tillämpningar.
SEC-konferensen i Borås gav ett smakprov på de många olika dimensioner som batterisäkerhet rymmer, och som också dominerar forskning och utveckling: testning, lagstiftning och nya material.
De allt större batterierna, och den allt större floran av batterier för allt fler tillämpningar ställer större krav på testning. Här behöver också metoderna utvecklas, för att kunna avgöra säkerhetsaspekter avseende batterier som kommer behöva användas i tiotalet år. Med sofistikerad testmetodik och analysutrustning kan man också skapa en större förståelse för vad som de facto händer under en batteribrand eller -explosion, och därmed få kunskap om hur man skräddarsyr material och komponenter för att minska skador och utsläpp, eller helst förebygga olyckor överhuvudtaget. Elna Heimdal Nilsson vid Lunds Universitet samt aktiviteterna på RISE representerar tydligt en svensk del av denna batterisäkerhetsforskning.
En annan del av utvecklingen av batterisäkerhet rör lagstiftning inom området. Annika Ahlberg Tidblad, från Volvo Cars och Uppsala Universitet, har under lång tid lagt ned mycket tid på att diskutera och vara med och utveckla internationella standarder inom området, främst avseende vägfordon. Lagstiftningen måste också följa utvecklingen och kunnandet inom teknikområdet, vilket gör det mycket krävande att fortsätta vara relevant och undvika fallgropar med både onödigt strikt och alltför tillåtande regelverk.
En tredje dimension av batterisäkerhet är nya material och cellkemier med mer brand- och explosionssäkra komponenter. Inte minst är de brandfarliga elektrolyterna i skottgluggen, och många nya elektrolytsystem är antingen helt brandsäkra eller har mycket lägre flampunkt. Detta innebär ofta en kompromiss med andra elektrolytegenskaper, som jonledningsförmåga, kostnad och miljömässig hållbarhet. Flera av de ”säkra” fastfas-elektrolyterna är dessutom tänkta för litium-metall. Då skall hållas i minnet att litium-metall har sina egna säkerhetsproblem, då materialet kan reagera kraftigt med luft och vatten.
För den som vill följa området och i likhet med undertecknad kan bli ”eld och lågor” över dess utveckling följer avslutningsvis ett tips. RISE organiserar 19 mars en heldagskonferens i Göteborg på temat. Programmet är starkt!
Referenser
[1] Elcykelbatterier får inte tas in i universitetets lokaler. Uppsala Universitet. 2024. länk
[2] Internationella erfarenheter om brandrisker med laddbara fordon. omEV, 14-03-2024. länk
[3] Compel. Länk
[4] P. Jindal and J. Bhattacharya, “Review—Understanding the Thermal Runaway Behavior of Li-Ion Batteries through Experimental Techniques,” J Electrochem Soc, vol. 166, no. 10, pp. A2165–A2193, 2019. länk
[5] J. Wen, Y. Yu, and C. Chen, “A review on lithium-ion batteries safety issues: existing problems and possible solutions,” Materials express, vol. 2, no. 3, pp. 197–212, 2012. länk