Veiligheid van natrium-ioncellen: wat het bewijs werkelijk zegt

“Is het veilig?” is de eerste vraag die ons wordt gesteld, en wie hem stelt, heeft gelijk. Een accu is geen reservoir: het is een elektrochemisch systeem dat energie in chemische vorm opslaat en dat, wanneer het voorbij zijn eigen grenzen wordt belast, alles tegelijk kan vrijgeven. Het serieuze antwoord is geen bijvoeglijk naamwoord, het is een testprotocol met zijn voorwaarden en zijn acceptatiecriterium.

Dit artikel beschrijft de beveiligingstests die zijn doorstaan door de polyanionische cellen NFPP van de tweede generatie Heiwit-systemen, met de protocollen in hun geheel. Geen enkele test is zinvol zonder de bijbehorende voorwaarden: “de spijkertest doorstaan” zonder te vermelden met welke naald, bij welke snelheid en hoe lang, zegt niets.

Wat wordt er geprobeerd te veroorzaken

Al het bewijs dat volgt heeft één enkel doel: de thermische runaway, in het Engels thermische runaway. Het is het mechanisme waarbij een beschadigde cel warmte genereert, de warmte de afbraakreacties versnelt, de reacties meer warmte genereren, en het proces zichzelf in stand houdt tot aan brand of de heftige breuk van de behuizing.

Een veiligheidstest is daarom een opzettelijke poging om die cirkel in gang te zetten: men doorboort de cel, overlaadt haar, plet haar, verwarmt haar van buitenaf. Het criterium om te slagen is niet “er gebeurt niets” — er gebeurt bijna altijd iets — maar geen brand, geen explosie, geen breuk van de behuizing.

Er moet ook worden vermeld wat een test niet aantoont. Een positief resultaat bij een afzonderlijke cel geldt niet automatisch voor het volledige accupakket: de verspreiding van een cel naar de aangrenzende cellen is een systeemverschijnsel en valt onder een andere norm, de UL 9540A, die we verderop zullen bespreken.

Het bewijs, één voor één

Doordringing met spijker

Het is de strengste en meest spectaculaire proef. De cel bevindt zich op 25 °C en is volledig opgeladen, namelijk in de toestand van maximaal opgeslagen energie. Een stalen naald van 5 mm in diameter steekt het door in geometrisch midden met de snelheid van 25 ± 5 mm/s. De naald wordt niet teruggetrokken: zit vast in de cel, waarbij de kortsluiting tussen de elektrodelagen behouden blijft voor een uur observatie.

Het geregistreerde resultaat is: opening van het CID, rookontwikkeling, geen explosie, geen brand.

De CID, Huidig onderbrekingsapparaat, is een mechanisch apparaat in de cel: wanneer de interne druk een drempel overschrijdt, vervormt een schijf en onderbreekt fysiek het circuit. Het is de laatste verdedigingslinie, degene die optreedt wanneer de elektronica nergens meer voor dient omdat de cel al is doorboord. Dat de CID heeft ingegrepen en dat het resultaat beperkt is gebleven tot rook is precies het gedrag dat wordt verwacht van een goed ontworpen cel.

Overbelasting

De cel wordt bij 25 °C en reeds volledig opgeladen, opgeladen tot constante stroom van 1C tot aan 1,5 maal de eindlaadspanning, of gedurende een uur, afhankelijk van welke voorwaarde zich het eerst voordoet. Er volgt een uur observatie.

Dit is het scenario van een ernstige storing in de besturingselektronica: de BMS treedt niet in werking en de omvormer blijft stroom naar een reeds volle accu sturen. Het geregistreerde resultaat is een opgezwollen behuizing, geen vloeistoflekkage en geen brand.

Thermische controle

De laadcel komt van buiten verhit terwijl deze tegelijkertijd wordt opgeladen met een constante stroom van 1C. De verwarming gaat door totdat aan een van deze drie voorwaarden wordt voldaan: de cel raakt in thermische runaway, de temperatuur bereikt 300 °C, of ze gaan voorbij vier uur.

Dit is de test die de externe brand nabootst: niet de batterij die vlam vat, maar de batterij die zich bevindt binnen een brand. Driehonderd graden liggen ver boven de temperatuur waarbij een theorieën lithiumcel in thermische runaway raakt. Ook hier is het criterium geen brand, geen explosie, geen breuk, en ook hier stopt het geregistreerde resultaat bij het openen van de CID en het uitstoten van rook.

Kneuzing, kortsluiting, oven

Lo verplettering reproduceert de mechanische schade — het vallen van een zwaar voorwerp, een stoot tijdens transport of installatie — en vereist de afwezigheid van vloeistoflekkage en brand.

De externe kortsluiting verbind de twee aansluitklemmen met een verwaarloosbare weerstand; het criterium is in dit geval op een andere manier streng: geen uiterlijke verandering, dat wil zeggen dat de cel visueel intact uit de test moet komen.

La ovenbakken volgens GB/T 36276-2018, de Chinese norm specifiek voor elektrochemische energieopslagsystemen aangesloten op het net, wordt de cel onderworpen aan een langdurig verblijf bij hoge temperatuur.

De zekerheid die voortkomt uit de chemie, niet uit de apparaten

Het bovenstaande bewijs meet het gedrag onder extreme omstandigheden. Maar het interessantste deel is dat de polyanionische kathode die omstandigheden moeilijker te bereiken, om drie structurele redenen.

Het produceert minder warmte bij dezelfde stroom. Bij de ontladingstest met toenemende stroomsterkte registreert de NFPP-cel bij 4C-bedrijf een maximale temperatuurstijging van 15,5 °C, tegen 22,1 °C van een referentie LFP-cel. Minder geproduceerde warmte betekent een grotere marge voordat een ontstekingsmechanisme in werking treedt.

Tolereer de ontlading in diepte. Het onder de minimale spanning brengen van een lithiumcel betekent dat deze permanent beschadigd raakt, en in bepaalde gevallen de voorwaarden worden gecreëerd voor een latere storing. De polyanionische chemie verdraagt diepe ontlading zonder structurele gevolgen.

Hij kan tot nul volt worden gebracht. Het is het meest opmerkelijke gevolg van het feit dat, in de natriumcellen, beide stroomcollectoren kunnen van aluminium zijn — terwijl een lytiumcel koper vereist aan de anode, dat onomkeerbaar corrodeert als de spanning te ver daalt. Een natriumcel kan daarom volledig tot nul volt worden ontladen om te worden opgeslagen of getransporteerd, en vervolgens zonder schade worden opgeladen. Een ontladen getransporteerde batterij is een batterij die geen energie heeft om vrij te geven.

De certificeringen van de cellen

Naast de bovenstaande bewijzen beschikken de cellen over de volgende rapporten en certificaten:

• IEC 62619 — veiligheidseisen voor secundaire lithiumcellen en -batterijen en andere alkalische systemen voor industriële toepassingen. Het is de internationale referentienorm voor stationaire opslag.
• UL 9540A — beproevingsmethode voor de voortplanting van de thermische runaway in opslagsystemen. Het beantwoordt de vraag die tests op één enkele cel niet behandelen: wat er met naburige cellen gebeurt. Het is het document dat de brandweer en verzekeringsmaatschappijen vragen voor installaties van aanzienlijke omvang.
• VN 38,3 — verplichte tests voor het vervoer van batterijen: hoogte, thermische cyclus, trilling, schok, externe kortsluiting, overbelasting.
• RoHS e veiligheidsinformatiebladen — afwezigheid van gevaarlijke stoffen en aangegeven samenstelling.
• Certificeringen voor het zee- en luchtvracht gevaarlijke goederen.

Het systeem, niet alleen de cel

Nog één laatste verduidelijking, omdat dit de meest voorkomende verwarring is. De hier beschreven tests en certificeringen hebben betrekking op de cellen. Het complete opslagsysteem — accupakket, BMS, besturingselektronica en omvormer — wordt afzonderlijk gekwalificeerd, waarbij rekening wordt gehouden met de Laagspanningsrichtlijn, de Richtlijn inzake elektromagnetische compatibiliteit en de nationale regels voor aansluiting op het net.

De twee dingen vullen elkaar aan en geen van beide vervangt de andere: een uitstekende cel in een slecht ontworpen systeem blijft gevaarlijk, en een goed ontworpen systeem kan een instabiele cel niet compenseren.

Veelgestelde vragen

Kunnen natriumcellen vlam vatten?

Elke cel die energie opslaat, kan deze op een onbeheerde manier vrijgeven als deze voldoende wordt belast. Het verschil zit in de drempelwaarde en het gedrag voorbij die drempelwaarde. Bij de beschreven tests — doorboring met de naald een uur lang achtergelaten, overbelasting tot 1,5 keer de eindlaadspanning, verwarming tot 300 °C — stopte het resultaat bij de uitstoot van rook, zonder brand of explosie.

Wat is het CID?

Huidig onderbrekingsapparaateen interne metalen schijf die vervormt wanneer de druk in de cel een drempel overschrijdt, waardoor het circuit fysiek wordt onderbroken. Het werkt op een puur mechanische manier, zonder elektronica, en is de laatste beschikbare beveiliging wanneer de cel al is aangetast.

Waarom wordt er gesproken over nul-volt-opslag?

Waarom in natriumcellen beide stroomafnemers van aluminium kunnen zijn, terwijl lithium koper vereist aan de anode, dat corrodeert als de cel te ver ontlaadt. Een natriumcel kan daarom volledig ontladen, dat wil zeggen zonder te ontladen energie, worden getransporteerd en opgeslagen, en zonder schade worden opgeladen.

Is de gecertificeerde cel voldoende om de installatie veilig te maken?

Nee. Veiligheid is een eigenschap van het complete systeem: cel, batterijpakket, BMS, elektronica en vakkundige installatie. De certificeringen van de cellen vormen de noodzakelijke basis, maar zijn geen definitieve garantie.