Litiumjonbatterier - Säker förvaring och hantering

Säker förvaring av litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier är en relativt ny teknik och en viktig del i ett fossilfritt samhälle. Batterier av denna typ kom in på marknaden i början av 1990-talet och har sedan dess revolutionerat energilagringen och gradvis minskat marknadsandelen för äldre tekniker.

Tack vare sin låga vikt, snabba laddtider och att de är extremt energitäta är litiumbatterier utmärkta som energilagringsenheter. Det är inte bara smartphones och surfplattor som får energi från litium utan även verktyg, trädgårdsredskap, ficklampor, elcyklar och bilar drivs med litiumbatterier.

Nackdelen är nyhetsflödet om olyckor och bränder, ofta med allvarliga konsekvenser, både materiella skador men även dödsfall har rapporterats. Det finns många videor, nyheter och olycksutredningar som visar de negativa aspekterna med denna typ av batterier.

Olyckor med litiumbatterier sker i både större och mindre skala hos såväl företag som privatpersoner. I Sverige har vi fått erfara större olyckor där en hel fabrik i Jönköping brann ner likväl ett testcenter hos en en större biltillverkare i Torslanda. Gemensamt i båda bränderna var att branden spred sig fort, var svårsläckt och totalförstörde lokalen.

Hösten 2018 hade vi i Sverige vårt första fall av vätefluoridförgiftning, vilket är en gas som frigörs i batteriet vid brand. Mannen som blev skadad fick ligga i konstgjord koma i tre veckor efter att en brand brutit ut i elcykelns batteri, i samband med laddning.

Farorna finns men också många lösningar för att minska riskerna. Som globalt företag har vi möjlighet att få en samlad bild kring hur olika länder och myndigheter resonerar och därifrån göra rekommendationer. Vi på DENIOS tycker helt klart att det är bättre att förebygga problemen istället för att vänta på att incidenter ska inträffa med skärpta lagkrav som följd.

En brinnande fråga? Vilka är de säkraste sätten att hantera och förvara dessa batterier? I vår guide lär du dig identifiera riskerna med litiumjonbatterier och får värdefulla tips om hur du kan förhindra farorna.

 

 

 



Hur fungerar ett litiumjonbatteri?

För att bedöma riskerna med batterier är det viktigt att förstå hur de fungerar. Det är också viktigt att veta att det finns olika typer av litiumjonbatterier. Det finns alltså många olika typer av energilagringssystem där litium används i ren eller bunden form.

Batterier kan delas in i 2 typer, primära (ej uppladdningsbara) och sekundära (uppladdningsbara). Generellt är det de uppladdningsbara som det vanligtvis refereras till i dagligt tal när litiumjonbatterier diskuteras.

Så fungerar en litiumcell

Ett litiumjonbatteri består av en eller flera celler som genererar ström. Varje litiumjoncell består av positivt och negativt laddade elektroner, en anod och en katod. Där emellan finns en elektrolyt som gör att litiumjoner kan röra sig mellan elektroderna när det används eller laddas.

Den mest kända formen av lagringsenheter för litiumenergi är litiumjonbatterier där en flytande elektrolyt används. En annan viktig komponent är den avskiljande separatorn. Den förhindrar en direkt anslutning mellan anoden och katoden och förhindrar således kortslutning.
När batteriet används frigörs litiumjoner och elektroner från anodsidan. Elektroner flödar genom en extern krets och utför elektriska arbeten. Samtidigt passerar litiumjonerna genom elektrolytvätskan och genom separatorn till katoden. Denna process är omvänd vid laddning.

Beroende på system kan strukturen och materialen som används i ett litiumjonbatteri variera. I litium polymerbatteriet integreras elektrolyten i polymerfilmens molekylära struktur. Detta gör det möjligt att avstå från en separat avskiljare. Litiumpolymerer genererar endast låga urladdningsströmmar. Polymerfilmen tillåter dock en platt design, det är därför den blivit populär i mobiltelefoner och bärbara datorer.

En tunnfilm-litiumcell är en energilagringsenhet där elektrolyten ersätts med en jonledande gas. Detta möjliggör användning av litiummetall som ger extremt hög energitäthet. Denna teknik är för närvarande en viktig del i forskning och utveckling av litiumenergi.

 

 


Kemiska egenskaper hos batteriet

Den kemiska sammansättningen av batteriet ger ofta information och vägledning för att undvika de risker det medför. Litiumjonbatteriet kan delas in i anod, elektrolytvätska och katod.

Som regel används grafit (C) som anodmaterial, vilket inte är märkt enligt CLP-förordningen.

Många olika ämnen används i katoden. Katodens kemiska sammansättning bestämmer till stor del batteriets egenskaper, såsom livslängd, laddningstid och prestanda. Järn, mangan, kobolt och nickel är vanliga ämnen som används.

 

 

 

Kemiska egenskaper hos litiumjonbatterier

Elektrolytvätskan består av ett organiskt lösningsmedel och ett ledande salt. Det finns ett brett spektrum av möjliga lösningsmedel, men litiumhexafluorfosfat (LiPF6) används nästan uteslutande som det ledande saltet.

Elektrolytvätskan = organiskt lösningsmedel + Ledande salt (LiPF6)

Den exakta kemiska sammansättningen för varje lösningsmedelsblandning är vanligtvis en affärshemlighet för tillverkaren. Men genom att titta på de olika formerna kan man få en översikt över de komponenter som används. Flampunkter ligger i allmänhet mellan + 160 ° C och delvis under 0 ° C. Detta förklarar den termiska instabiliteten hos litiumbatterier.

Det ledande saltet innehåller b.l.a. fluor (F-). I ett skadat lituimbatteri frigörs den giftiga flour (F-) som tillsammans med den frätande jonen (H+) bildar den giftiga fluorvätesyran (HF) som kan leda till olika farliga situationer.


Risker vid hantering av litiumjonbatterier

 

Höga säkerhetsstandarder för serieproduktion

Med dagens tillverkningsstandarder kan litiumbatterier ses som relativt säkra. Som regel utförs olika säkerhetstester av tillverkaren innan serieproduktion startas och produkter släpps ut på marknaden. Till exempel kan lagringsenheter för litiumenergi endast transporteras om ett testcertifikat enligt UN 38.3 finns tillgängligt. För att få detta certifikat måste ett antal testserier, där batterierna testas under olika transportförhållanden, godkännas. Detta inkluderar:

 

 

  • Höjdsimulering

  • Värmevariationstest

  • Vibrationstest

  • Slagmotstånd

  • Extern kortslutning

  • Slag / Krosstest

  • Överladdningstest

  • Forcerad urladdning

Eftersom tester sker under kontrollerade former kan batterierna belastas utanför sina belastningsgränser. Många av våra kunder genomför också sina egna testserier, t.ex. för att kontrollera batteriernas säkerhet i samband med deras produkter. DENIOS teknikcontainrar är utvecklade för att kunna erbjuda en säker testmiljö. Är du intresserad av att testa litiumenergilagringssystem? Läs mer här.

För att öka säkerheten för litiumjonbatterier kan tillverkare utrusta dem med olika säkerhetsanordningar på cellnivå. Om en brandfarlig elektrolyt används inuti cellen kan flamskyddsmedel tillsättas för att säkerställa bättre skydd. Ett kollisionssäkert hölje av ackumulatorn i en korrosionsskyddad konstruktion med brandhämmande skum kan också vara en effektiv åtgärd.

"Termisk rusning"

Ändå måste särskild försiktighet iakttas vid hantering av litiumjonbatterier - för gång på gång uppstår farliga bränder. Felaktig eller oaktsam hantering utgör en betydande säkerhetsrisk och tekniska fel som redan har inträffat vid tillverkningen kan aldrig uteslutas helt.

Den största utmaningen: När en olycka inträffar är konsekvenserna ofta förödande. Faran beror på batteriets uppbyggnad och design, ämnen med hög energitäthet som kombineras med brandfarliga elektrolyter, vilket skapar en brandfarlig blandning. Så här ser reaktionen ut i batteriet när temperaturen stiger:

Termisk rusning i litiumbatterier

Den höga temperaturen leder initialt till att elektrolytvätskan avdunstar, vilket genererar ytterligare värme och brandfarliga gaser. Om trycket stiger över en viss punkt frigörs de brandfarliga gaserna och bildar en blandning med luften där flammor utvecklas på utsidan av batteriet. Den termiska rusningen i enbart en cell räcker för att värma upp de närliggande cellerna i batteriblocket i en sådan utsträckning att en kedjereaktion med allvarliga konsekvenser uppstår. När detta har startat tar det bara några minuter för batteriet att utveckla en brand med explosionsartad karaktär. Sådana bränder med litiumjonbatterier är svåra att kontrollera och elden sprider sig snabbt. Brandkåren har ofta bara uppgiften att skydda angränsande områden.

 

Vanliga orsaker till brand

Användning av litiumbatterier anses vara säker vid normal drift. Men detta gäller bara så länge alla hanterar dem enligt instruktioner i produktbladet. Om t.ex. litiumjonbatterier hanteras eller förvaras felaktigt kan de utgöra en betydande säkerhetsrisk. Tekniska fel från fabriken kan heller inte alltid uteslutas.

Följande 3 orsaker är särskilt farliga:

Elektrisk överbelastning
Elektrisk överbelastning
Mekanisk skada
Mekanisk skada
Stigande temperaturer
Stigande temperaturer

En vanlig risk med litiumbatterier uppstår vid laddning och urladdning. Elektrisk överbelastning kan uppstå av ett antal olika skäl, t.ex. vid användning av felaktig laddare. En brand kan även uppstå till följd av urladdning. Om litiumjonbatterier inte används under lång tid kan de laddas ur helt. Felaktiga lagringsförhållanden - t.ex. lagring utanför lagringstemperatur (som rekommenderas av tillverkaren) - kan främja denna effekt. Detta leder till nedbrytning av elektrolytvätskan och bildning av lättantändliga gaser. Om man sedan försöker ladda de urladdade litiumjoncellerna kan den tillförda energin inte längre omvandlas korrekt på grund av brist på elektrolytvätska. En kortslutning eller brand kan uppstå.

Vid hantering av litiumjonbatterier finns det alltid en viss risk att skada dem. Kollisioner med företagsfordon, fall på hård mark eller krossning under felaktiga lagringsförhållanden är bara några exempel på mekanisk skada. Om celler deformeras som ett resultat kan detta leda till interna kortslutningar och brand i batteriet. Defekter i produktionen av cellerna själva kan inte heller uteslutas till 100%. I sällsynta fall kan det hända att partiklar som felaktigt kommer in i cellen under produktion skadar den inifrån över tiden. Interna kortslutningar kan då också förekomma.

Extern värme eller energikällor kan värma upp litiumbatterier och orsaka brand på grund av termisk överbelastning. Typiska farokällor är till exempel öppen eld, heta maskindelar eller förvaring i direkt solljus.

 

 

Generell tumregel:
Ju mer energitäta cellerna är och ju fler celler ett litiumbatteri har desto större blir riskpotentialen. Detta tillsammans med rådande förhållanden och processer bör alltid utvärderas i samband med riskbedömningen som varierar från fall till fall.


Åtgärder för att förhindra brand

Förvaringen av litiumjonbatterierna utgör ett dilemma för många företag. I enlighet med arbetsmiljöverkets författningssamling är det näringsidkarens ansvar att bedöma faror i företaget och motverka dem med lämpliga skyddsåtgärder. Dock finns det för närvarande inga lagskrifter eller regler i Sverige att luta sig emot, när det gäller energilagringsenheter innehållande litiumjoner. Det är därför upp till företagen själva att definiera och genomföra lämpliga skyddsåtgärder. På grund av det stora antalet olika batterityper är det för närvarande inte möjligt att göra allmänna uttalanden om lämpliga skyddsåtgärder och koncept och en individuell riskbedömning är därför nödvändig för att bedöma fall till fall. Vi rekommenderar också samarbete med räddningstjänsten och försäkringsbolagen för att utveckla ett helhetskoncept för varje individuell förvaringssituation. Som experter inom förvaring av brandfarlig vara kan vi självklart också hjälpa till: Kontakta oss för rådgivning! I det följande stycket hittar du informationskällor där du kan få ytterligare information om säker förvaring av litiumjonbatterier:

Tillverkarinformation

Tillverkaren brukar ge generell information och riktlinjer för säker hantering och förvaring av sina produkter - till exempel brukar optimala drift- och lagringstemperaturer anges. Dessa specifikationer, som du vanligtvis hittar i bruksanvisningen och / eller säkerhetsdatablad, bör följas strikt. Tillverkare är också skyldiga att tillhandahålla information om ämnena i deras produkter och deras effekter på miljön och människors hälsa. Från detta kan du också dra slutsatser för din riskbedömning.

Dessutom har Tyska föreningen för skadeförsäkringsbolag (VdS) publicerat en broschyr som ger information om förebyggande av förluster vid användning av litiumjonbatterier i produktions- och lagringsutrymmen. Enligt VdS rekommendation är litiumenergilagringssystem uppdelade i tre olika prestandaklasser: litiumbatterier med låg prestanda, medelprestanda och hög prestanda. För detta ändamål, allmänt tillämpliga och, beroende på prestandaklass, specificeras specifika säkerhetsföreskrifter för förvaring där följande infografik ger dig en översikt.

Prestanda litiumjonbatteri

Som globalt företag har vi möjlighet att få en samlad bild kring hur olika länder och myndigheter resonerar och därifrån göra rekommendationer. När det gäller antal litiumjonbatterier på produktionsanläggningar hänvisar vi till  VdS samt TUKES (Finlands) rekommendationer att det dagliga behovet får uppfyllas. Dvs. Begränsa det dagliga behovet till nödvändigt minimum. Dessutom bör lämplig brandsläckningsutrustning finnas tillgänglig.

 

 

Media i Sverige och utomlands

Artiklar relaterade till säkerhetsaspekten kring lagring av litiumenergi publiceras dagligen i dagspressen såväl som av facktidningar. Vi har sammanfattat den vanligaste informationen och tipsen för hantering av litiumbatterier.

Det rekommenderas vanligtvis att behandla litiumenergilagringsenheter som ett farligt ämne och att utforma hanteringen därefter, d.v.s. Genomför en riskbedömning, utför lämpliga åtgärder från detta, skapa specifika säkerhetsinstruktioner och utbilda anställda i korrekt hantering av farliga ämnen enligt befintliga föreskrifter.

Allmänna säkerhetsanvisningar för den dagliga hanteringen av litiumjonbatterier kan sammanfattas på ett förenklat sätt i fem punkter:

Förhindra temperatursvängningar
Förhindra temperatursvängningar
Skydda mot fukt
Skydda mot fukt
Använd enbart godkända laddare
Använd enbart godkända laddare
Var försiktig när du laddar
Var försiktig när du laddar
Skydda mot mekaniska skador
Skydda mot mekaniska skador

Temperaturvariationer påverkar inte bara livslängden på litiumjonbatteriet utan också batteriets säkerhet. Utsätt inte energilagringsenheten för höga temperaturer eller värmekällor. Detta inkluderar även direkt solljus. Långvarig exponering för kyla bör också undvikas, eftersom det leder till urladdning. Om urladdade litiumjonbatterier ansluts till en laddare kan brand uppstå. Följ därför de drift- och lagringstemperaturer som rekommenderas av tillverkaren.

Kontakt med fukt
(t.ex. från nederbörd, kondens eller ånga) kan kortsluta batteriet. Du bör därför alltid förvara litiumjonbatteriet på en torr plats och skydda dem från fukt under transport och användning.

En av de vanligaste orsakerna till batteribränder, särskilt i privata hem, är användningen av inkompatibla laddare. Dessa kan t.ex. ha en högre spänning än vad  batteriet klarar av och därför förstör det. Du bör därför endast använda laddare som är avsedda att användas tillsammans med din batterimodell.

Förutom att använda fel laddare finns det andra risker i laddningsprocessen. Låt inte litiumbatterier ligga och ladda under långa perioder när de inte behövs. Brandfarliga föremål i närheten är inte heller en bra idé. Placera om möjligt batteriet på betong- eller klinkergolv medan det laddas. Om du vill lagra batterier efteråt rekommenderas en laddningsnivå (SoC) på cirka 30%. Detta minskar mängden energi som kan orsaka skador i en nödsituation. Varning: En viss minimiladdningsnivå bör alltid vara tillgänglig för att förhindra total urladdning. Följ tillverkarens anvisningar här.

Mekanisk skada kan orsaka deformation av celler i batteriet och leda till interna kortslutningar. Du bör därför se till att lagringsenheterna för litiumenergi inte utsätts för stötar, slag eller kollisioner. Om något händer ska skadade batterier under inga omständigheter återanvändas utan bör tas bort omedelbart, förvara separat tills de kasseras på rätt sätt. Som en försiktighetsåtgärd bör du också säkra polerna på skadade batterier, t.ex. med hjälp av polhattar. Naturligtvis bör litiumbatterier inte tas isär, öppnas eller krossas.


Bekämpning av litiumbatteribränder

Vad ska jag göra om en brand uppstår? Bränder med litiumjonbatterier är mycket svårsläckta. Släckningsförsök med konventionella inerta medel fungerar oftast inte, eftersom litiumjonceller självt genererar det syre som krävs för en brand. Vid val av lämpligt släckningsmedel spelar batteriernas storlek och kvantitet, men även driftsförhållandena en roll. Den allmänna regeln är att bedöma de enskilda riskerna och farorna som finns i företaget och att utarbeta ett lämpligt släcknings- och brandskyddskoncept i samarbete med experter och försäkringsbolag.

Släckning med vatten

Det finns skilda åsikter huruvida vatten är lämpligt som släckmedel. Eftersom litium är mycket reaktivt, finns de som vill undvika kontakt med vatten. Nya studier visar dock på att större mängder vatten kan bekämpa litiumbränder effektivt. Förklaringarna som ges inkluderar den så kallade kylningseffekten, vilket saktar ner cellernas aktivitet. Ändå utgör stora batterier, till exempel från brinnande elbilar, ofta en enorm utmaning för brandkåren. Detta kan lätt förklaras med strukturen på ett batteri:

Vattenkylning för olika batterier

I grund och botten består ett stort batteri av många mindre celler som är anslutna till varandra. Om en enskild cell värms upp, i värsta fall mitt i batteriet, värms också de angränsande cellerna. Detta leder till en kedjereaktion som leder till en betydligt starkare energi som frigörs. Om kedjereaktionen startas i mitten av batteriet är det nästan omöjligt att använda ett släckmedel, t.ex. B vatten och därmed stoppa eller begränsa reaktionen. Om du försöker kyla en sådan modul når vattnet bara de yttre lagren eller batteriernas hölje. Situationen är annorlunda med mindre moduler där färre celler används. Här verkar extern kylning vanligtvis direkt på de reagerande cellerna.


Sommaren 2019 utfärdade VdS (Tyska föreningen för skadeförsäkring) en broschyr 3856 "Sprinklerskydd för litiumbatterier". För första gången görs en differentiering enligt energiinnehållet per lagringsenhet och risken klassificeras enligt följande tabell:


Risknivå Risk Energiinnehåll i kWh / lagringsenhet
I Låg >1
II Medel 1,0 - 50
III Hög >50


Rekommendationen är max. 50 kWh per lagringsenhet (t.ex. Euro-pall) som ska förvaras. Detta motsvarar risknivå II. Sprinklersystemet måste utformas i enlighet med VdS CEA 4001. Försök av det amerikanska försäkringsbolaget FM-Global och German Insurance Association. V. (GDV) har visat att spridning av bränder med litiumbatterier i höga hyllor kan förhindras med riktade sprinklersystem. Resultaten från testerna gäller dock endast för små litiumbatterier förpackade i kartong. För stora batterienheter rekommenderas också sprinklers, även om bränder på enskilda batterier vanligtvis inte släcks, så saktas spridningen till närliggande batterier ner.

En betydligt större mängd vatten krävs dock för att bekämpa en brand i ett litiumbatteri än vid en vanlig brand. För att påskynda släckningsarbetet och, om nödvändigt, för att minska mängden vatten som krävs, kan olika tillsatser användas i släckningsvattnet. I händelse av en reaktion finns också risken för att skadliga ämnen som saltsyra eller fluorvätesyra (väteflourid löst i vatten) släpps ut inifrån cellen. Dessa kan till exempel förekomma i form av gas och skada människor genom hudkontakt eller inandning. Under släckningsprocessen kan de spädas genom släckvattnet, sippra ner i marken (om ingen lämplig uppsamlingsanordning finns tillgänglig) och orsaka miljöskador.

Aerosoler för brandbekämpning

En annan möjlighet är att använda aerosoler för brandsläckning. Detta är ett tekniskt system som används för att begränsa branden tills brandkåren anländer för att slutligen släcka elden. Släckningstekniken fungerar enligt EN 15276-10 utan tillsats av vatten. Om temperaturen stiger avbryter släckgeneratorn effektivt den kemiska förbränningsprocessen inom 4,5 till 15 sekunder (beroende på modell). Denna teknik är både hälso- och miljövänlig (inte hälsofarlig, förskjuter inte syre) och är bland annat listat som ett officiellt "HALON Substitute Extinguishing Agent" av United States Environmental Protection Agency (U.S. EPA). På grund av den låga vikten / installationsvolymen och det faktum att ingen rörledning är nödvändig är installationen snabb och enkel. Investerings- och uppföljningskostnaderna förblir låga eftersom aerosolsläckningstekniken är underhållsfri och har en lång livslängd.

 

Släckmedel

Släckgranulat isolerar batteriet termiskt. Släcknings- eller isoleringseffekten är omedelbart aktiv och fungerar helt självständigt. Förutsättningen är dock att batterierna omges av tillräckligt med granulat. Med det speciella släckgranulatet PyroBubbles® är det möjligt att bekämpa begynnande bränder - testat för bränder i klass A, B, D och F, enligt EN 3-7 av MPA Dresden.

PyroBubbles® består till stor del av kiseloxid med en genomsnittlig kornstorlek på 0,5 till 5 mm. När temperaturen når cirka 1050 ° C börjar de smälta och bildar ett slutet och värmeisolerande lager runt eldkällan. PyroBubbles® kan användas universellt: De är inte bara lämpliga som släckmedel för att bekämpa bränder i kompakta batterier utan också som ett förebyggande fyllmedel för förvaring och transport. Lämpliga transport- och förvaringslådor med FN-godkännande finns i metall och plast.

 

 

Släckgranulat Pyrobubbles litiumbatterier

Lösningar som DENIOS erbjuder


Undantagna ändringar och fel. All information som lämnats till hemsidan har undersökts noggrant.
Däremot kan DENIOS AB inte garantera aktualiteten, korrektheten, fullständigheten eller kvaliteten på den information som lämnas.