Kan een thuisbatterij in brand vliegen?

Thuisbatterijen slaan een aanzienlijke hoeveelheid elektrische energie op. Het is dan ook logisch dat brandveiligheid een belangrijke rol speelt bij de keuze van een batterijsysteem. Veel moderne thuisbatterijen maken gebruik van LFP-cellen (Lithium Iron Phosphate of lithium-ijzerfosfaat). Deze batterijchemie staat bekend om haar relatief hoge thermische stabiliteit.

Dat betekent echter niet dat een LFP-batterij onmogelijk kan branden. Om het werkelijke risico te begrijpen, moeten we kijken naar het fenomeen thermal runaway.

Waarom wordt LFP als een veilige batterijchemie beschouwd?

Een lithium-ioncel bestaat onder andere uit een anode, kathode, separator en elektrolyt. Bij een LFP-batterij bestaat het actieve kathodemateriaal uit lithium-ijzerfosfaat (LiFePO₄).

De chemische structuur van LFP is thermisch stabieler dan die van verschillende andere gangbare lithium-ionchemieën. Experimentele studies waarin verschillende batterijchemieën worden vergeleken, tonen voor LFP onder andere een hogere temperatuur voor het begin van belangrijke exotherme reacties, een lagere maximale zelfopwarmingssnelheid en een lagere totale warmteontwikkeling tijdens thermal runaway.

Dat is één van de redenen waarom LFP zeer vaak wordt toegepast voor stationaire energieopslag en thuisbatterijen.

Wat is thermal runaway?

Bij normale werking blijft de temperatuur van een batterijcel ruim binnen haar toegelaten werkgebied. Bij een ernstige fout kan de temperatuur echter beginnen stijgen.

Vanaf bepaalde temperaturen kunnen interne chemische reacties warmte produceren. Wanneer daarbij meer warmte wordt geproduceerd dan de batterij aan haar omgeving kan afgeven, ontstaat een zichzelf versterkend proces:

temperatuurstijging → snellere chemische reacties → meer warmteproductie → verdere temperatuurstijging

Dit proces wordt thermal runaway genoemd.

Het kan uiteindelijk leiden tot zeer hoge temperaturen, gasvorming, het openen of scheuren van de cel en in extreme omstandigheden brand.

Bij welke temperatuur wordt LFP gevaarlijk?

Er bestaat geen universele “zelfontbrandingstemperatuur” voor een LFP-batterij.

Een batterij is namelijk een complex elektrochemisch systeem en verschillende componenten beginnen bij verschillende temperaturen te reageren. Ook celconstructie, laadstatus, batterijcapaciteit en warmteafvoer beïnvloeden het resultaat.

Onderzoek toont bijvoorbeeld dat de SEI-laag aan de anode al vanaf ongeveer 50–120 °C exotherme reacties kan vertonen. Voor de LFP-kathode zelf worden aanzienlijk hogere temperaturen gerapporteerd: belangrijke warmteontwikkeling begint in studies ongeveer tussen 180 en 250 °C.

Dit betekent niet dat een LFP-batterij bij 120 °C of 180 °C automatisch in brand vliegt. Het toont vooral aan dat thermal runaway geen gebeurtenis met één vaste ontbrandingstemperatuur is, maar een opeenvolging van chemische en thermische processen.

Vergelijking van de thermische eigenschappen van verschillende lithium-ionbatterijchemieën

Waarom kan een LFP-batterij dan toch branden?

De hogere thermische stabiliteit van LFP betekent niet dat een volledige batterij onbrandbaar is. Naast het LFP-kathodemateriaal bevat een lithium-ioncel namelijk ook andere materialen, waaronder een organisch elektrolyt dat brandbaar is.

Wanneer een cel door een interne kortsluiting, mechanische beschadiging, externe brand of andere ernstige fout sterk wordt opgewarmd, kunnen interne componenten beginnen te ontleden. Daarbij ontstaat niet alleen bijkomende warmte, maar kunnen ook brandbare gassen vrijkomen.

Wanneer de warmteproductie vervolgens sneller toeneemt dan de batterij haar warmte kan afvoeren, kan thermal runaway ontstaan. Ook bij LFP kan dit uiteindelijk leiden tot het ontluchten van de cel, zeer hoge temperaturen en in bepaalde omstandigheden brand.

De uitspraak “een LFP-batterij kan niet branden” is daarom technisch onjuist. Correcter is dat LFP een aanzienlijk gunstiger thermisch veiligheidsprofiel heeft dan verschillende andere veelgebruikte lithium-ionchemieën.

Waardoor kan thermal runaway ontstaan?

Een thuisbatterij bereikt dergelijke temperaturen niet tijdens normale werking. Er moet eerst een ernstige interne of externe fout optreden.

Mogelijke oorzaken zijn onder andere:

• een interne kortsluiting in een batterijcel;

• mechanische beschadiging;

• oververhitting;

• elektrische overbelasting of overladen;

• een productiefout in een cel;

• blootstelling aan een externe brand.

Een belangrijk onderdeel van een modern batterijsysteem is daarom het Battery Management System (BMS). Het BMS bewaakt onder andere de spanning en temperatuur van de individuele batterijcellen en kan het laden of ontladen beperken of volledig onderbreken wanneer abnormale waarden worden vastgesteld.

Niet alleen de batterijchemie bepaalt de brandveiligheid

Bij het vergelijken van thuisbatterijen wordt vaak sterk gefocust op de gebruikte celchemie. Hoewel LFP op vlak van thermische stabiliteit duidelijke voordelen heeft, wordt de veiligheid van een thuisbatterij door het volledige systeem bepaald.

Ook de kwaliteit van de batterijcellen, het BMS, de elektrische beveiligingen, de constructie van de behuizing, warmteafvoer en de kwaliteit van de installatie zijn belangrijk.

Daarnaast bevat een thuisbatterijsysteem vermogenselektronica, bekabeling en elektrische verbindingen. Een slecht uitgevoerde elektrische verbinding kan bijvoorbeeld lokaal opwarmen zonder dat de LFP-cellen zelf de oorzaak van het probleem zijn.

Is LFP veiliger dan NMC?

Op het vlak van thermische stabiliteit heeft LFP een duidelijk voordeel ten opzichte van verschillende andere veelgebruikte lithium-ionchemieën.

Zoals ook uit Tabel 6 blijkt, treden de kritische thermische reacties bij LFP doorgaans bij hogere temperaturen op. Bovendien is de kristalstructuur van lithium-ijzerfosfaat zeer stabiel en komt bij thermische ontleding minder gemakkelijk zuurstof uit het kathodemateriaal vrij.

Dat laatste is belangrijk omdat vrijgekomen zuurstof bij andere batterijchemieën de exotherme reacties en een eventuele brand verder kan versterken.

LFP wordt daarom veel toegepast in situaties waarbij levensduur en veiligheid belangrijke ontwerpcriteria zijn, waaronder stationaire energieopslag en thuisbatterijen.

Kan een LFP-thuisbatterij dus veilig in een woning worden geplaatst?

Ja. Een kwalitatief LFP-batterijsysteem dat correct wordt ontworpen en geïnstalleerd heeft een gunstig veiligheidsprofiel. LFP betekent echter niet dat brand onmogelijk is.

Daarom kijken we bij Ecosun niet alleen naar de capaciteit en prijs van een thuisbatterij. Ook de gebruikte batterijchemie, kwaliteit van de fabrikant, beveiligingen, het BMS en de correcte elektrische installatie spelen een rol bij de keuze van een batterijsysteem.

Een thuisbatterij is uiteindelijk een elektrisch energiesysteem dat jarenlang in of rond een woning wordt gebruikt. Een correcte dimensionering en installatie zijn daarom minstens zo belangrijk als de batterijtechnologie zelf.