Een thuisbatterij slaat een aanzienlijke hoeveelheid elektrische energie op. Het is daarom logisch dat brandveiligheid een belangrijke rol speelt bij de keuze en installatie van een thuisbatterij. Maar kan een thuisbatterij daadwerkelijk in brand vliegen? En hoe veilig zijn de LFP-batterijen die tegenwoordig veel worden gebruikt?
Het korte antwoord is dat een thuisbatterij in uitzonderlijke omstandigheden kan branden, ook wanneer ze gebruikmaakt van lithium-ijzerfosfaat (LFP). Deze batterijchemie heeft wel een gunstig thermisch veiligheidsprofiel in vergelijking met verschillende andere lithium-ionchemieën.
Om te begrijpen waarom LFP relatief veilig is, maar niet volledig onbrandbaar, moeten we kijken naar de chemische samenstelling van batterijcellen en het fenomeen thermal runaway.
Waarom wordt LFP als een veilige batterijchemie beschouwd?
Veel moderne thuisbatterijen maken gebruik van lithium-ijzerfosfaat (LiFePO₄ of LFP).
Een lithium-ioncel bestaat onder andere uit een anode, kathode, separator en elektrolyt. Bij een LFP-batterij bestaat het actieve kathodemateriaal uit lithium-ijzerfosfaat.
De kristalstructuur van LFP is thermisch stabieler dan die van verschillende andere gangbare lithium-ionchemieën. Experimentele studies tonen bij vergelijkingen tussen batterijchemieën onder andere:
Een hogere temperatuur waarbij belangrijke exotherme reacties optreden.
Een lagere maximale snelheid waarmee de batterij zichzelf opwarmt.
Een lagere totale warmteontwikkeling tijdens thermal runaway.
Een kleinere neiging tot het vrijgeven van zuurstof uit het kathodemateriaal.
Deze eigenschappen maken LFP bijzonder interessant voor stationaire energieopslag, waarbij batterijen jarenlang in of rond woningen en gebouwen worden gebruikt.
De batterijchemie heeft bovendien invloed op de veroudering van de cellen. In [Hoe lang gaat een thuisbatterij mee? Levensduur en degradatie uitgelegd] bespreken we waarom LFP ook op het vlak van levensduur vaak een interessante keuze is.
Wat is thermal runaway bij een thuisbatterij?
Tijdens normale werking blijft de temperatuur van een thuisbatterij binnen het toegelaten werkgebied van de fabrikant.
Bij een ernstige interne of externe fout kan een batterijcel echter sterk opwarmen. Vanaf bepaalde temperaturen kunnen chemische reacties ontstaan die zelf warmte produceren.
Wanneer de warmteproductie groter wordt dan de hoeveelheid warmte die de cel aan haar omgeving kan afgeven, kan een zichzelf versterkend proces ontstaan.
Het verloop ziet er vereenvoudigd als volgt uit:
Temperatuurstijging → snellere chemische reacties → meer warmteontwikkeling → verdere temperatuurstijging
Dit proces noemen we thermal runaway.
Tijdens thermal runaway kan de temperatuur van een batterijcel zeer hoog oplopen. Daarbij kunnen brandbare en schadelijke gassen vrijkomen, kan de cel ontluchten of scheuren en kan onder bepaalde omstandigheden brand ontstaan.
Bij een batterijsysteem met meerdere cellen bestaat bovendien het risico dat de warmte van een beschadigde cel zich verspreidt naar aangrenzende cellen.
Een goed ontworpen batterijsysteem probeert daarom niet alleen fouten te voorkomen, maar ook de gevolgen van een eventuele celfout te beperken.
Bij welke temperatuur kan een LFP-batterij in brand vliegen?
Er bestaat geen universele zelfontbrandingstemperatuur voor een LFP-thuisbatterij.
Een lithium-ionbatterij bevat verschillende materialen die bij verschillende temperaturen kunnen reageren. De precieze reactie hangt onder andere af van de celconstructie, laadstatus, chemische samenstelling en warmteafvoer.
Wetenschappelijk onderzoek rapporteert bijvoorbeeld dat bepaalde reacties aan de Solid Electrolyte Interphase (SEI), een beschermende grenslaag aan de anode, al bij ongeveer 50 tot 120 °C kunnen optreden.
Voor belangrijke warmteontwikkeling door de LFP-kathode zelf worden in studies doorgaans aanzienlijk hogere temperaturen gerapporteerd, bijvoorbeeld rond 180 tot 250 °C.
Deze temperaturen zijn geen vaste veiligheidsgrenzen en betekenen niet dat een thuisbatterij bij 120 °C of 180 °C automatisch ontbrandt.
Ze illustreren vooral dat thermal runaway uit verschillende opeenvolgende chemische en thermische processen bestaat.
Figuur: vergelijking van het thermische en chemische gedrag van verschillende lithium-ionbatterijtechnologieën
Waarom kan een LFP-thuisbatterij toch branden?
De hogere thermische stabiliteit van LFP betekent niet dat de volledige batterij onbrandbaar is.
Naast het stabiele LFP-kathodemateriaal bevat een lithium-ioncel ook andere componenten, waaronder een organisch elektrolyt dat brandbaar is.
Wanneer een cel door een ernstige fout sterk wordt opgewarmd, kunnen interne componenten beginnen te ontleden. Daarbij kunnen warmte en brandbare gassen vrijkomen.
Als de warmteproductie vervolgens sneller toeneemt dan de batterij haar warmte kan afvoeren, kan thermal runaway ontstaan.
Ook bij LFP kan dat leiden tot:
Het vrijkomen van brandbare en schadelijke gassen.
Zeer hoge temperaturen in de batterijcel.
Het openen of scheuren van de cel.
Brand wanneer geschikte ontstekingsomstandigheden aanwezig zijn.
Warmteoverdracht naar andere cellen of onderdelen van het batterijsysteem.
De uitspraak 'een LFP-batterij kan niet branden' is dus technisch onjuist.
Correcter is dat LFP een gunstiger thermisch veiligheidsprofiel heeft dan verschillende andere veelgebruikte lithium-ionchemieën. Dat verkleint bepaalde risico's, maar sluit ernstige batterijstoringen niet volledig uit.
Waardoor kan thermal runaway ontstaan?
Een correct werkende thuisbatterij bereikt tijdens normaal gebruik geen temperaturen waarbij thermal runaway ontstaat.
Daarvoor moet doorgaans eerst een ernstige interne of externe fout optreden.
Mogelijke oorzaken zijn:
Interne kortsluiting: een defect of beschadiging binnen een batterijcel kan lokale warmteontwikkeling veroorzaken.
Mechanische beschadiging: een sterke impact of vervorming kan interne componenten beschadigen.
Oververhitting: extreme temperaturen of onvoldoende warmteafvoer kunnen de batterij zwaar belasten.
Elektrische overbelasting of overladen: foutieve spanningen of stromen kunnen de cellen beschadigen.
Productiefouten: onzuiverheden of andere defecten kunnen de betrouwbaarheid van een cel beïnvloeden.
Externe brand: een brand in de omgeving kan de batterij sterk opwarmen en uiteindelijk thermal runaway veroorzaken.
Daarom moet een thuisbatterij niet alleen uit geschikte batterijcellen bestaan, maar ook over betrouwbare beveiligingen beschikken.
Welke rol speelt het Battery Management System (BMS)?
Een belangrijk veiligheidsonderdeel van een moderne thuisbatterij is het Battery Management System (BMS).
Het BMS bewaakt de toestand van de batterij en helpt voorkomen dat de cellen buiten hun toegelaten werkgebied worden gebruikt.
Afhankelijk van het systeem controleert het BMS onder andere:
De spanning van individuele batterijcellen.
De temperatuur van de batterijcellen of batterijmodules.
De laad- en ontlaadstromen.
De laadstatus (State of Charge of SoC).
De onderlinge balans tussen de batterijcellen.
Wanneer abnormale waarden worden vastgesteld, kan het BMS het laad- of ontlaadvermogen beperken of de batterij elektrisch laten afschakelen.
Het BMS vormt daarmee een belangrijke beveiligingslaag, maar is geen absolute garantie tegen iedere mogelijke fout.
Ook de kwaliteit van de batterijcellen, de constructie van het batterijpakket en de overige elektrische beveiligingen blijven essentieel.
Niet alleen de batterijchemie bepaalt de brandveiligheid
Bij het vergelijken van thuisbatterijen wordt vaak vooral gekeken naar de gebruikte batterijchemie.
Hoewel LFP op het vlak van thermische stabiliteit duidelijke voordelen biedt, wordt de veiligheid van een thuisbatterij door het volledige batterijsysteem bepaald.
Belangrijke factoren zijn onder andere de kwaliteit van de cellen, de werking van het BMS, de elektrische beveiligingen, de behuizing, de warmteafvoer en de installatiekwaliteit.
Daarnaast bevat een thuisbatterijsysteem ook vermogenselektronica, bekabeling en elektrische aansluitingen.
Een slecht uitgevoerde elektrische verbinding kan bijvoorbeeld lokaal oververhit raken, zonder dat de batterijcellen zelf de oorspronkelijke oorzaak zijn.
Ook de keuze van de omvormer en de compatibiliteit tussen de verschillende onderdelen zijn belangrijk. Bij het [toevoegen van een thuisbatterij aan bestaande zonnepanelen] moet daarom niet alleen naar de opslagcapaciteit worden gekeken, maar ook naar de elektrische integratie van het volledige systeem.
Is LFP veiliger dan NMC?
LFP en NMC zijn twee verschillende lithium-ionbatterijchemieën.
Bij LFP bestaat het actieve kathodemateriaal uit lithium-ijzerfosfaat. Bij NMC wordt een kathodemateriaal gebruikt op basis van nikkel, mangaan en kobalt.
Op het vlak van thermische stabiliteit heeft LFP doorgaans een duidelijk voordeel.
De kristalstructuur van lithium-ijzerfosfaat is zeer stabiel. Bij thermische ontleding komt bovendien minder gemakkelijk zuurstof uit het kathodemateriaal vrij.
Dat is belangrijk omdat zuurstofvrijgave bij bepaalde andere batterijchemieën de warmteontwikkeling en een eventuele brand kan versterken.
De precieze verschillen hangen wel af van de gebruikte cellen, de laadstatus en de testomstandigheden.
LFP wordt daarom veel toegepast bij thuisbatterijen en andere stationaire opslagsystemen, waar veiligheid en levensduur belangrijke ontwerpcriteria zijn.
Waar plaats je een thuisbatterij het veiligst?
Naast de batterijtechnologie is ook de installatielocatie belangrijk.
Een thuisbatterij moet worden geplaatst in een omgeving die geschikt is voor het gekozen systeem en voldoet aan de voorschriften van de fabrikant en de toepasselijke regelgeving.
Bij de keuze van een locatie houden we onder andere rekening met:
De toegelaten omgevingstemperatuur.
Voldoende ruimte voor warmteafvoer en onderhoud.
De voorgeschreven afstanden tot andere onderdelen of materialen.
Bescherming tegen water, vocht en mechanische beschadiging.
De bereikbaarheid van de elektrische beveiligingen.
De aanwezigheid van geschikte elektrische aansluitingen.
Niet iedere thuisbatterij is geschikt voor buitenopstelling. Omgekeerd kunnen bepaalde modellen wel buiten worden geïnstalleerd wanneer hun beschermingsgraad en installatievoorschriften dat toelaten.
Een correcte installatielocatie is bovendien belangrijk voor de levensduur van de batterij, omdat langdurige blootstelling aan hoge temperaturen de degradatie kan versnellen.
Heeft de capaciteit van een thuisbatterij invloed op de veiligheid?
Een grotere thuisbatterij bevat doorgaans meer opgeslagen energie. Daarom moet bij het ontwerp rekening worden gehouden met de totale energie-inhoud en de eigenschappen van het batterijsysteem.
Dat betekent niet dat een grotere thuisbatterij automatisch onveiliger is.
De veiligheid hangt onder andere af van de batterijconstructie, de indeling in modules, de beveiligingen en de manier waarop eventuele warmteontwikkeling wordt beheerst.
De batterijcapaciteit moet in de eerste plaats worden afgestemd op het werkelijke energieverbruik en de gewenste toepassing.
In [Welke capaciteit thuisbatterij heb ik nodig? 5, 10, 15 of 20 kWh?] leggen we uit hoe je de opslagcapaciteit van een thuisbatterij correct bepaalt.
Een goed gedimensioneerde batterij voorkomt bovendien dat je onnodig investeert in opslagcapaciteit die nauwelijks wordt gebruikt.
Kan een LFP-thuisbatterij veilig in een woning worden geplaatst?
Ja. Een kwalitatief LFP-batterijsysteem dat correct wordt ontworpen en geïnstalleerd, heeft een gunstig veiligheidsprofiel. Dat betekent echter niet dat brand onmogelijk is.
Bij Ecosun kijken we daarom niet alleen naar de capaciteit en prijs van een thuisbatterij, maar ook naar de gebruikte batterijtechnologie, de kwaliteit van de fabrikant, de beveiligingen en de correcte elektrische installatie.
Bij onze realisatie van zonnepanelen en thuisbatterij in Dilsen-Stokkem zie je een voorbeeld van een geïntegreerd energiesysteem met batterijopslag.
Ook bij installaties met noodstroomvoorziening moet de elektrische integratie zorgvuldig worden uitgewerkt. Een voorbeeld daarvan is onze realisatie van zonnepanelen, thuisbatterij en back-upvoorziening in Leuven.
De juiste keuze hangt af van de woning, het gewenste batterijvermogen, de installatieomgeving en de toekomstige energiebehoefte.
Is een thuisbatterij brandveilig? De belangrijkste conclusie
Een thuisbatterij kan in uitzonderlijke omstandigheden in brand vliegen. LFP-batterijen hebben echter een gunstig thermisch veiligheidsprofiel in vergelijking met verschillende andere lithium-ionchemieën.
De stabiele structuur van lithium-ijzerfosfaat beperkt bepaalde risico's, maar maakt een batterij niet volledig onbrandbaar. Ook andere celmaterialen, het BMS, de elektrische beveiligingen en de installatiekwaliteit bepalen de uiteindelijke veiligheid.
Bij Ecosun kiezen we daarom voor een volledige technische beoordeling van het batterijsysteem. Een thuisbatterij moet niet alleen voldoende energie kunnen opslaan en financieel interessant zijn, maar vooral jarenlang betrouwbaar en veilig functioneren.