Thermal runaway: waarom een batterij op hol kan slaan
Thermal runaway, in het Nederlands soms 'thermisch op hol slaan' genoemd, is een kettingreactie in een batterij waarbij de temperatuur binnen in de cel zichzelf blijft opjagen. De batterij wordt warmer, die warmte veroorzaakt chemische reacties die op hun beurt nog meer warmte vrijgeven, en zo raakt het proces in een vicieuze cirkel die niet meer te stoppen is zonder de cel volledig te laten uitbranden. Het eindresultaat is vaak rook, vlammen of in het ergste geval een kleine explosie.
Een goede vergelijking is een pan met olie die te heet wordt op het fornuis. Onder een bepaalde temperatuur is er niets aan de hand, maar zodra de olie een kritiek punt overschrijdt, vat ze spontaan vlam en blijft ze branden, ook als je het gas uitzet. Bij een batterijcel werkt het vergelijkbaar: onder normale omstandigheden zijn de chemische stoffen in de cel stabiel, maar bij te hoge temperatuur, een beschadiging of een fabricagefout kan een reactie op gang komen die zichzelf voedt, zonder dat er nog extern vuur of stroom nodig is.
Wat is het precies?
Het fenomeen komt het meest voor bij lithium-ion batterijen, het type dat in smartphones, laptops, elektrische auto's en steeds meer grote energieopslagsystemen zit. Zo'n batterij bestaat uit een positieve en een negatieve elektrode, gescheiden door een dun kunststof laagje, de separator, die kortsluiting moet voorkomen maar wel lithium-ionen doorlaat. Daartussen zit een vloeibare elektrolyt die de lading geleidt.
Thermal runaway begint meestal met een lokale opwarming: door overladen, een fysieke beschadiging (denk aan een deuk of doorboring), een fabricagefout met metaaldeeltjes in de cel, of simpelweg gebruik bij extreme hitte. Vanaf ongeveer 80 tot 100 graden Celsius beginnen de eerste chemische afbraakreacties in de cel, die op hun beurt warmte vrijgeven.
Bij verder oplopende temperatuur, vaak rond de 130 tot 150 graden, smelt de dunne separator. Zodra dat gebeurt, ontstaat er direct contact tussen de positieve en negatieve elektrode: een interne kortsluiting. Die kortsluiting jaagt de temperatuur in een paar seconden verder omhoog, soms tot boven de 500 of 800 graden Celsius.
Bij die temperaturen ontleden ook de elektrolyt en het elektrodemateriaal zelf, waarbij brandbare en soms giftige gassen vrijkomen, zoals waterstof, methaan en koolmonoxide. De cel begint te 'venten', wat betekent dat ze via een veiligheidsklep gas en druk afblaast. Ontsteekt dat gasmengsel, dan ontstaat een felle brand die zichzelf voedt met zuurstof uit de eigen chemische reactie, wat blussen met water lastig maakt.
In een batterijpak met meerdere cellen, zoals in een elektrische auto, kan de warmte van één falende cel de buurcellen ook boven hun kritieke temperatuur duwen. Zo ontstaat een kettingreactie die zich door het hele pak kan verspreiden, ook wel thermal propagation genoemd.
Wat wil men ermee bereiken?
Het onderzoek naar thermal runaway draait niet om het fenomeen zelf te benutten, maar om het te begrijpen en te voorkomen. Naarmate lithium-ion batterijen groter en krachtiger worden, in elektrische auto's, vliegtuigen en energieopslag voor het elektriciteitsnet, worden de gevolgen van een eventuele thermal runaway ook groter. Het doel is drieledig.
Ten eerste preventie: batterijen zo ontwerpen en gebruiken dat de kans op een startpunt voor thermal runaway zo klein mogelijk is, bijvoorbeeld door betere celchemie, stevigere behuizingen en slimme laadsoftware die overladen voorkomt.
Ten tweede detectie: sensoren en software die vroege signalen van een beginnende thermal runaway herkennen, zoals een lichte temperatuurstijging of drukopbouw, zodat gebruikers gewaarschuwd kunnen worden voordat het misgaat.
Ten derde mitigatie: als een cel toch op hol slaat, moet worden voorkomen dat de reactie overspringt naar buurcellen, zodat een klein probleem geen groot incident wordt. Dit alles moet leiden tot batterijen die net zo veilig aanvoelen als een tank benzine, ook al is de onderliggende chemie fundamenteel anders.
Voorbeelden uit de praktijk
Enkele bekende incidenten hebben het onderwerp op de kaart gezet. In 2016 moest Samsung wereldwijd de Galaxy Note 7 terugroepen nadat tientallen toestellen spontaan in brand vlogen door een te krap ontworpen batterij die inwendig kortsluiting kon veroorzaken, een schoolvoorbeeld van thermal runaway in consumentenelektronica.
In 2013 werd de hele vloot Boeing 787 Dreamliner tijdelijk aan de grond gehouden nadat lithium-ion batterijen in twee toestellen oververhit raakten en rook produceerden. Boeing paste daarna de batterijbehuizing en ventilatie aan.
General Motors riep in 2020 en 2021 alle Chevrolet Bolt EV's terug vanwege een fabricagefout in de batterijcellen die het risico op thermal runaway verhoogde; de terugroepactie kostte GM naar schatting meer dan een miljard dollar aan vervangende batterijpakken.
Buiten de auto- en elektronicawereld gebeurde er in 2019 een zwaar incident bij een batterijopslagfaciliteit van energiebedrijf Arizona Public Service in McMicken, Arizona: een thermal runaway in één cel leidde tot gasophoping en uiteindelijk een explosie waarbij vier brandweerlieden gewond raakten.
Ook in Nederland is het onderwerp actueel: de sterke groei van e-bikes en fatbikes met goedkope of beschadigde accu's heeft de afgelopen jaren geleid tot een toename van woningbranden die door de brandweer worden toegeschreven aan thermal runaway in lithium-ion accu's.
Hoe ver is de techniek?
De maatregelen tegen thermal runaway ontwikkelen zich gestaag, maar het probleem is niet volledig opgelost. Fabrikanten verbeteren de celchemie met stabielere kathodematerialen en minder brandbare elektrolyten, en sommige bedrijven experimenteren met vaste (in plaats van vloeibare) elektrolyten in zogeheten solid-state batterijen. Die hebben in theorie een veel hogere temperatuur nodig voordat een kettingreactie optreedt, maar staan grotendeels nog in de onderzoeks- en pilotfase en worden nog niet op grote schaal commercieel geproduceerd.
Battery management systems (BMS), de elektronica die spanning, stroom en temperatuur van elke cel bewaakt, zijn de laatste jaren veel geavanceerder geworden en kunnen afwijkende cellen vroegtijdig afkoppelen. Ook celontwerp verandert: sommige fabrikanten schakelen over van pouch- of prismatische cellen naar grotere cilindrische cellen met verbeterde interne bedrading, wat de kans op inwendige kortsluiting verkleint.
Voor grootschalige energieopslag gelden inmiddels strengere teststandaarden, zoals UN 38.3 voor transport van lithium-ion batterijen en UL 9540A, een Amerikaanse testmethode die specifiek meet hoe een thermal runaway zich door een batterijsysteem verspreidt. Dit soort testen wordt steeds vaker verplicht gesteld door verzekeraars en lokale overheden voordat een opslagsysteem in gebruik mag worden genomen.
Toch blijft volledige eliminatie van het risico lastig: elke verhoging van de energiedichtheid, wat nodig is voor grotere actieradius bij elektrische auto's, gaat in de praktijk vaak samen met een iets grotere gevoeligheid voor thermal runaway. Onderzoekers zoeken voortdurend naar de juiste balans tussen veiligheid en prestaties, en onafhankelijke experts benadrukken dat er geen garantie van nul risico bestaat, alleen risicoreductie.
Wie werken eraan?
Grote batterijproducenten zoals CATL en LG Energy Solution uit respectievelijk China en Zuid-Korea, Samsung SDI en Panasonic investeren fors in veiligere celchemie en productiekwaliteit. Tesla ontwikkelt eigen celontwerpen, waaronder de 4680-cel, mede met het oog op verminderde kans op thermal propagation binnen een batterijpak.
Op het gebied van solid-state batterijen loopt het Amerikaanse bedrijf QuantumScape voorop, met steun van onder meer Volkswagen, terwijl Toyota in Japan al jaren onderzoek doet naar vaste-elektrolyttechnologie met het doel deze in de tweede helft van de jaren 2020 in productieauto's te gebruiken.
Op onderzoeksgebied spelen Amerikaanse nationale laboratoria zoals NREL (National Renewable Energy Laboratory) en Sandia National Laboratories een grote rol in het testen en modelleren van thermal runaway, vaak in opdracht van de Amerikaanse overheid. In Europa doet het Duitse Fraunhofer-instituut onderzoek naar veiligere celmaterialen, en in Nederland werkt TNO aan batterijveiligheid en -testen, onder meer voor de auto-industrie en energieopslagsector.
Standaardisatie-instanties zoals UL (Underwriters Laboratories) in de Verenigde Staten en de internationale IEC (International Electrotechnical Commission) stellen de testprotocollen op waaraan batterijsystemen wereldwijd moeten voldoen, en werken daarbij vaak samen met toezichthouders zoals de Amerikaanse NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) op het gebied van voertuigveiligheid.