Säkerhet för natriumjonceller: Vad bevisen faktiskt säger

“Är den säker?” är den första fråga som ställs till oss, och den som ställer den har rätt. Ett batteri är ingen tank: det är ett elektrokemiskt system som lagrar energi i kemisk form och som, om det pressas över sina gränser, kan frigöra allt på en gång. Det seriösa svaret är inte ett adjektiv, det är ett testprotokoll med tillhörande villkor och accepterande kriterier.

Den här artikeln beskriver de säkerhetstester som har klarats av polianjoniska celler NFPP av den andra generationen av Heiwit-system, med protokollen i sin helhet. Inget test är meningsfullt utan sina villkor: att “klara spikprovet” utan att ange vilken nål som används, vid vilken hastighet och under hur lång tid betyder ingenting.

Vad försöker man framkalla

Alla bevis som följer har ett enda mål: värmeläcka, på engelska termisk rusning. Det är den mekanism genom vilken en skadad cell genererar värme, värmen accelererar nedbrytningsreaktionerna, reaktionerna genererar mer värme och processen eldar på sig själv till dess att det uppstår en brand eller höljet brister våldsamt.

Ett säkerhetstest är därför ett medvetet försök att utlösa den cykeln: man punkterar cellen, överladdar den, krossar den, värmer den utifrån. Kriteriet för att bli godkänd är inte “ingenting händer” – någonting händer nästan alltid – utan ingen brand, ingen explosion, inget hölje som brustit.

Det är också viktigt att påpeka vad ett test inte visar. Ett positivt resultat för en enskild cell gäller inte automatiskt för hela batteripaketet: spridningen från en cell till de närliggande är ett systemfenomen och omfattas av en annan standard, UL 9540A, som vi kommer att ta upp längre fram.

Bevisen, ett efter ett

Spikpenetration

Det är det svåraste och mest spektakulära provet. Cellens temperatur är 25 °C och den fullt laddad, det vill säga i tillståndet med maximalt lagrad energi. En stålnål från 5 mm i diameter korsar den i geometriska centrum med en hastighet av 25 ± 5 mm/s. Nålen dras inte tillbaka: sitter kvar i cellan, samtidigt som kortslutningen mellan elektrodskikten bibehålls för en timmes observation.

Det registrerade resultatet är: öppnande av CID, rökutveckling, ingen explosion, ingen brand.

CID-blanketten, Aktuell avbrotts-enhet, är en mekanisk anordning inuti cellen: när det interna trycket överstiger ett tröskelvärde deformeras en skiva och bryter kretsen fysiskt. Det är den sista försvarslinjen, den som aktiveras när elektroniken inte längre fyller någon funktion eftersom cellen redan är punkterad. Att CID har utlösts och att händelseförloppet stannade vid rök är exakt det beteende som man förväntar sig av en välkonstruerad cell.

Överbelastning

Cellen, vid 25 °C och redan fulladdad, laddas vid konstant 1C-ström till och med 1,5 gånger slutspänningen, eller i en timme, beroende på vilket villkor som inträffar först. Därefter följer en timmes observation.

Det här är ett scenario där styrelektroniken drabbas av ett allvarligt fel: BMS aktiveras inte och växelriktaren fortsätter att mata ström till ett batteri som redan är fulladdat. Det registrerade resultatet är att höljet sväller ut, utan vätskeläckage och utan brand.

Termisk kontroll

Laddcellen är på väg uppvärmd utifrån medan den samtidigt laddas med en konstant ström på 1C. Uppvärmningen fortsätter tills ett av följande tre villkor inträffar: cellen går in i termisk rusning, temperaturen når 300 °C, eller så passerar de fyra timmar.

Det är testet som efterliknar den yttre branden: inte batteriet som fattar eld, utan batteriet som befinner sig inom en brand. Tre hundra grader är långt över den temperatur vid której en litiumcell råkar ut för termisk rusning. Även här är kriteriet ingen brand, ingen explosion, inget brott, och även här stannar det registrerade resultatet vid öppning av CID och rökutveckling.

Krossning, kortslutning, ugn

Lo krossning återskapar den mekaniska skadan — fallet av ett tungt föremål, en stöt under transport eller installation — och kräver frånvaro av vätskeläckage och brand.

Den extern kortslutning anslut de två terminalerna med ett försumbart motstånd; kriteriet är i det här fallet strängt på ett annat sätt: ingen skillnad i utseende, det vill säga att cellen måste klara testet visuellt intakt.

La baka i ugn enligt GB/T 36276-2018, den kinesiska standarden som är specifik för nätanslutna elektrokemiska energilagringssystem, utsätts cellen för en långvarig vistelse vid hög temperatur.

Säkerheten som kommer från kemin, inte från enheterna

Tester ovan mäter beteendet under extrema förhållanden. Men det som är mest intressant är att det polyanjoniska katoden gör dessa förhållanden svårare att nå, av tre strukturella skäl.

Genererar mindre värme vid samma strömstyrka. Vid urladdningstestet med stigande ström, vid driftsläge 4C, uppvisar cellen NFPP en maximal övertemperatur på 15,5 °C, mot 22,1 °C hos en referenscell med LFP. Mindre genererad värme innebär en större marginal innan någon utlösande mekanism träder i kraft.

Tål djupurladdning. Att ladda ur en litiumcell under dess minsta spänning innebär att den skadas permanent, och i vissa visst fall skapas förutsättningar för ett senare fel. Den polyanjoniska kemin tål djupurladdning utan strukturella konsekvenser.

Den kan bringas till noll volt. Det är den mest egendomliga konsekvensen av det faktum att, i natriumcellerna, båda strömavtagarna kan vara i aluminium — medan en litiumcell kräver koppar vid anoden, som korroderar irreversibelt om spänningen sjunker för lågt. En natriumcell kan därför laddas ur helt till noll volt för att lagras eller transporteras, och sedan laddas upp igen utan skada. Ett batteri som transporteras urladdat är ett batteri som inte har någon energi att frigöra.

Cellcertifieringarna

Utöver ovanstående tester har cellerna följande rapporter och certifikat:

• IEC 62619 — säkerhetskrav för sekundära litiumceller och -batterier samt andra alkaliska system för industriella tillämpningar. Det är den internationella referensstandarden för stationär energilagring.
• UL 9540A — provningsmetod för spridning av termisk rusning i lagringssystem. Den besvarar den fråga som tester på enskilda celler inte tar itu med: vad som händer med intilliggande celler. Det är det dokument som räddningstjänsten och försäkringsbolagen efterfrågar för anläggningar av betydande storlek.
• FN 38,3 — obligatoriska tester för batteritransport: altitud, termisk cykel, vibration, stöt, extern kortslutning, överladdning.
• RoHS e säkerhetsdatablad — frånvaro av farliga ämnen och deklarerad sammansättning.
• Certifieringar för sjö- och flygtransport farligt gods.

Systemet, inte bara cellen

Ett sista förtydligande, eftersom det är den vanligaste förvirringen. Tester och certifieringar som beskrivs här avser cellerna. Hela lagringssystemet – batteripaket, BMS, styrelektronik och växelriktare – omfattas av en separat kvalificering, som innefattar lågspänningsdirektivet, direktivet om elektromagnetisk kompatibilitet samt nationella regler för nätanslutning.

De två sakerna är kompletterande och ingen ersätter den andra: en utmärkt cell i ett dåligt designat system förblir farlig, och ett väl designat system kan inte kompensera för en instabil cell.

Vanliga frågor och svar

Kan natriumceller fatta eld?

Alla battericell som lagrar energi kan frige den på ett okontrollerat sätt om den utsätts för tillräcklig påverkan. Skillnaden ligger i tröskelvärdet och beteendet efter det tröskelvärdet. I testerna som beskrivs — genomträngning med nålen kvarlämnad i en timme, överladdning till 1,5 gånger slutspänningen, uppvärmning till 300 °C — stannade resultatet vid rökutveckling, utan brand eller explosion.

Che cos’è il CID?

Aktuell avbrotts-enhet: un disco metallico interno che si deforma quando la pressione dentro la cella supera una soglia, interrompendo fisicamente il circuito. Agisce in modo puramente meccanico, senza elettronica, ed è l’ultima protezione disponibile quando la cella è già compromessa.

Perché si parla di stoccaggio a zero volt?

Perché nelle celle al sodio entrambi i collettori di corrente possono essere in alluminio, mentre il litio richiede rame all’anodo, che si corrode se la cella si scarica troppo. Una cella al sodio può quindi essere trasportata e stoccata completamente scarica, cioè priva di energia da liberare, e ricaricata senza danno.

La cella certificata basta a rendere sicuro l’impianto?

No. La sicurezza è una proprietà del sistema completo: cella, pacco, BMS, elettronica e installazione a regola d’arte. Le certificazioni di cella sono la base necessaria, non la garanzia finale.