Lithiumionbatterijen (li-ion) worden op grote schaal ingebouwd in smartphones, laptops, elektrische voertuigen, drones, e-bikes en energieopslagsystemen. De populariteit is grotendeels te danken aan de hoge energiedichtheid, lange levensduur en lage zelfontlading. Maar het leidt ook tot zorgen over met name het risico op brand.
Door Frank Arentsen / Foto’s: Brafon
Lithiumionbatterijen bestaan uit een viertal hoofdcomponenten:
- Anode – meestal grafiet, waarin lithiumionen worden opgeslagen tijdens het laden.
- Kathode – veelal gemaakt uit lithiummetaaloxiden zoals lithiumkobaltoxide, lithiumijzerfosfaat of andere lithiumverbindingen.
- Elektrolyt – een organisch oplosmiddel met lithiumzouten, wat de ionenmobiliteit mogelijk maakt.
- Separator – een polymeerfilm die anode en kathode fysiek scheidt.
Tijdens het laden migreren lithiumionen van de kathode naar de anode en tijdens het ontladen gebeurt het omgekeerde. De elektrolyt is licht ontvlambaar en bevat vluchtige organische stoffen zoals ethyleencarbonaat en dimethylcarbonaat. In combinatie met hoge spanning en temperaturen vormt dit een potentieel brandbare omgeving.
> LEES OOK: Aanvullende maatregelen voor veilige opslag van lithium-ion batterijen in grote brandcompartimenten
Thermische runaway
De grootste risico’s van lithiumionbatterijen hebben te maken met het fenomeen 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 binnenin de cel wanneer deze beschadigd of oververhit raakt.
Thermische runaway kan veroorzaakt worden door bijvoorbeeld:
- Mechanische schade, zoals doorboren, vallen of botsen van de batterij wat kan leiden tot kortsluiting tussen de anode en de kathode.
- Elektrische overstress: hierbij moet gedacht worden aan overladen, diepontladen 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, wat kan leiden tot een cascade-effect. De snelheid en hevigheid kan het bijzonder moeilijk maken om een eenmaal begonnen thermische runaway te stoppen.
> LEES OOK: Minder woningbrandclaims, meer branden door accu’s
Incidenten en statistieken
Brandende lithiumionbatterijen 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.
Het blussen van litiumionbatterijbranden is bijzonder complex en wijkt sterk af van de conventionele brandbestrijding. De brand gaat gepaard met hoge temperaturen (tot meer dan 1200°C), giftige dampen die vrijkomen en kans op gasvorming en explosies. De batterijen kunnen herhaaldelijk opnieuw ontbranden (re-ignition), zelfs uren nadat de brand lijkt te zijn geblust.
Wat zijn zoal de gevaren voor hulpdiensten (brandweer)?
- De toegang tot de brandhaard: batterijcellen zitten vaak opgesloten in een metalen behuizing.
- Giftige dampen: tijdens de brand komen zeer giftige stoffen vrij, waaronder waterstoffluoride, koolmonoxide en organische verbindingen.
- Thermische runaway in cascade: in pakketten of modules kan een enkele cel thermische runaway opwekken in naburige cellen.
Blussen vereist vaak langdurige koeling met grote hoeveelheden water en het plaatsen van batterijpakketten in speciale dompelcontainers of koelbakken. In sommige gevallen worden wrakken van elektrische voertuigen onder water gezet gedurende 24 tot 72 uur om nieuwe branden te voorkomen.
Preventieve maatregelen
Verschil kan worden gemaakt door preventieve maatregelen op gebruikersniveau en door innovaties.
Gebruikers kunnen de volgende voorzorgsmaatregelen treffen:
- 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.
Wat betreft 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 het laden, de temperatuur en de spanning 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
Lithiumionbatterijen zijn cruciaal voor een duurzame en mobiele toekomst. Tegelijkertijd vergroten ze de kans op brand, die niet mag worden onderschat. Door inzicht in de oorzaken van thermische runaway, door aandacht te besteden aan een veilige toepassing, en door gebruik te maken van technologische innovaties, kunnen deze risico’s worden beperkt. Verdere ontwikkeling van regelgeving, voorlichting aan consumenten en investeringen in veilige opslag- en blusmethoden zijn daarbij essentieel.
Volg Security Management op LinkedIn
