Wat is een thermal runaway, hoe ontstaat het, wat zijn de gevolgen en hoe kan je het voorkomen?

Een thermal runaway is een situatie waarbij een litium-ion accu, door een defect in de accu, of storing in het laad/ontlaadproces, de temperatuur van de accu steeds verder – vanzelf – stijgt en dit proces in principe niet meer te stoppen is. Het is namelijk een zichzelf versterkend effect.

Je zou kunnen stellen dat tijdens een thermal runaway de accu zichzelf ontleed / desintegreert. De accu zal onherstelbaar beschadigd raken. Maar dat is nog niet het ergste, tijdens dit proces wordt veel warmte ontwikkeld, zullen brandbare en/of giftige gassen ontstaan en kan er mogelijk brand of zelfs een ontploffing ontstaan.

Wat is een thermal runaway?

Hoewel we in dit artikel een thermal runaway bespreken in relatie tot een accu, is een thermal runaway een algemeen begrip dat niet beperkt is tot accu's.

Bij een thermal runaway zal een bepaald proces zich voltrekken waarbij thermische energie vrijkomt (een exotherme reactie), en door het vrijkomen van die thermische energie wordt het proces versterkt / versneld en zo ontstaat een zichzelf versterkend en vrijwel niet meer te stoppen proces waarbij (vaak enorm veel) thermische energie vrijkomt.

Deze reactie stopt pas als de stoffen die gebruikt worden voor deze exotherme reactie verbruikt / omgezet zijn, of als die stoffen sterk gekoeld worden, als voorbeeld, het langdurig (dagen) onderdompelen van een accu in water.

Bij zo'n proces is altijd sprake van een kritische temperatuur. Zolang de stof(fen) onder deze kritische grens blijven zal dit zelf versterkend effect niet optreden. Zolang de temperatuur van die stof(fen) zich onder die kritische grens bevinden is er dus niets aan de hand.

Wat is een thermal runaway bij een lithium-ion accu?

Specifiek lithium-ion accu's, dit is dus niet van toepassing op andere bekende accu's zoals AGM / lood-zuur accu's, kennen het gevaar van een thermal runaway.

Door bepaalde omstandigheden, waar we later op terugkomen, zal de thermal runaway plaatsvinden. Wat er dan gebeurd is afhankelijk van de chemische samenstelling van de lithium-ion accu.

De mogelijke gevolgen zijn: 1. binnen de accu ontstaan gassen, de druk in de accu wordt daardoor hoog, de accu zal gaan zwellen (bol staan) en als de druk te hoog wordt zal het overdrukventiel de gassen laten ontsnappen, het zogenaamde gassen van een accu; 2. mogelijk zal tegelijkertijd met het gassen een ontbranding ontstaan en zal het ontsnappende gas branden als een soort vlammenwerper; 3. de accu zal ontploffen.

Bedenk dat als alleen maar gassen vrijkomen, dit op zich vrij onschuldig lijkt, maar dit kan een groot gevaar opleveren. De betreffende gassen kunnen hoog explosief zijn zoals waterstof en methaan, ze kunnen gevaarlijk/dodelijk zijn zoals koolmonoxide of mogelijk carcinogeen (kankerverwekkend).

LFP accu's die in energie opslag systemen worden gebruikt zullen bij een thermal runaway, normaal gesproken, alleen maar gassen, maar zoals vermeldt zijn die gassen wel erg brandbaar/ontplofbaar.

Hoe kan je een thermal runaway stoppen?

Het antwoord kan je waarschijnlijk zelf al verzinnen als je de vorige paragraaf hebt gelezen. Je moet zorgen dat de stof(fen) die onderdeel zijn van de exotherme reactie onder de kritische temperatuur komen. Blussen heeft geen nut.

Bij een thermal runaway van een lithium-ion accu, is de meest praktische manier om de accu onder te dompelen in water. Het water zal de vrijgekomen warmte meer absorberen dan lucht. Hierdoor zal het zelf versterkend effect dempen en uiteindelijk zelfs stoppen. Dat is ook wat de brandweer doet bij elektrische auto's of losse accu's die een thermal runaway hebben, ze dompelen ze in een container met water.

We raden met klem af om bij een thermal runaway, zelf de accu ze verplaatsen. De gassen kunnen dodelijk zijn, of door een statisch vonkje kan een brandbaar gas al tot ontploffing komen. Loop snel en zo ver mogelijk weg bij het gevaar, waarschuw anderen en bel 112.

Hoe ontstaat een thermal runaway?

Een thermal runaway ontstaat als iets vreselijk mis is gegaan. Het vaakst, althans dat is onze impressie, is de oorzaak dat de accu sterk overladen is. Een LFP accu mag niet verder geladen worden dan 3,65 Volt per cel. In principe zal de acculader zorgen dat de laadspanning niet hoger wordt dan die 3,65 Volt. Dus in principe kan overladen niet plaatsvinden.

Maar, die acculader is gemaakt met elektronica en software, en dat kan kapot gaan of bugs hebben. Dus in uitzonderlijke gevallen is overladen toch mogelijk.

Voor die situaties biedt een BMS bescherming. Iedere goed gebouwde accu zal een BMS hebben. Die bewaakt onder meer of de accu niet overladen of te ver ontladen wordt. Mocht zo iets gebeuren dan grijpt het BMS in en koppelt elektrisch gezien de accu los. Daarmee is een gevaar afgewend.

Het is echter denkbaar dat ook het BMS faalt. De kans dat de acculader én de BMS faalt is enorm klein, maar niet nul. In zo'n situatie is het mogelijk dat de accu overladen wordt en daardoor steeds warmer wordt en uiteindelijk zal een thermal runaway het gevolg zijn.

De tweede mogelijkheid is dat een veel te grote stroom tijdens het laden of ontladen in- of uit de accu vloeit. Daardoor kan ook een thermal runaway ontstaan. We hebben het dan over hele grote stromen die zich voordoen zoals bij een kortsluiting of langdurige zware overbelasting (door falen van elektronica).

De gevolgen van een kortsluiting kunnen beperkt worden doordat gebruik wordt gemaakt van een zekering of zekeringen. Een goed accusysteem zal dus altijd minimaal één zekering hebben. Te grote laad- of ontlaadstromen zullen worden gemitigeerd door het BMS, die zal boven een bepaalde (ont)laadstroom de accu loskoppelen.

Een derde mogelijkheid is dat in een accucel een kortsluiting ontstaat. Dat kan zijn door een productiefout, of dat bijvoorbeeld de de LFP accu geladen is terwijl de temperatuur van de accu lager was dan het vriespunt. Of doordat langdurig met een stroom geladen of ontladen is die groter is dan het maximum die de accucelfabrikant specificeert. Dan kan "plating" ontstaan en mogelijk de vorming van dendrieten die zorgen voor de kortsluiting in de accucel.

Door de kortsluiting zal veel warmte ontstaan en dat kan de oorzaak zijn van een thermal runaway.

Hoe is een thermal runaway te voorkomen?

We schreven in de vorige paragraaf al, de mogelijke oplossingen. Gebruik een BMS, en een zekering. Zorg ook dat de accu nooit onder het vriespunt geladen wordt. Tegen een productiefout is geen bescherming mogelijk. Hooguit kan de temperatuur van de accucellen (alle, stuk voor stuk!) in de gaten gehouden worden en als de temperatuur boven een bepaalde grens komt, bijvoorbeeld 50 graden Celsius, dat dan een alarm afgaan. Wellicht heb je dan de tijd om de accu "naar buiten te slepen", want dat is het enige wat je kan doen, mogelijk de accu onderdompelen in een grote bak met water. Bij een temperatuur van 50 graden Celsius is dit nog veilig mogelijk omdat dan de LFP accu nog niet zal gassen.