ENERGI

Kan brukte litium-ion-batterier fra elbiler brukes om igjen?

Skal man gjenbruke litium-ion-batterier fra elbiler til hjemmelagring av for eksempel solenergi, må man vite hvordan batteriene er blitt brukt – for at det ikke skal oppstå brann, skriver tre forskere på batterisikkerhet.

Forskerne Preben J.S. Vie og Julia Wind i laboratoriet hvor de undersøker hvorfor litium-ion-batterier brenner mer enn andre batterier.
Forskerne Preben J.S. Vie og Julia Wind i laboratoriet hvor de undersøker hvorfor litium-ion-batterier brenner mer enn andre batterier. Foto: Nicki Twang
Preben J.S. Vie (Ife/NTNU), Julia Wind (Ife) og Torleif Lian (FFI)
18. des. 2023 - 15:01

Du har kanskje hørt om batterier som begynner å brenne, og spesielt litium-ion-batterier? Litium-ion-batterier brukes i dag i nesten alt som kan lades – fra mobiltelefoner, elektriske sykler og sparkesykler til elbiler og elektriske ferger. Her vil vi utforske årsakene til hvorfor litium-ion-batterier brenner og hvordan sikkerheten forandres i dets livsløp.

Så hvorfor brenner litium-ion-batterier mer enn andre batterier?

Litium-ion-batteriet er det oppladbare batteriet som kan lagre mest energi per vekt, og jo mer energi som er lagret, desto mer energi kan frigjøres i en brann. Batteriet består av en rekke materialer; den negative elektroden er laget av grafitt, den positive elektroden er ofte laget av metalloksider (for eksempel nikkel-mangan-koboltoksid – NMC), separatoren som skiller elektrodene er en porøs plastfilm, og elektrolytten består av et litium-ion-ledende salt og forskjellige organiske løsemidler. De fleste av disse materialene er brennbare, og metalloksidet vil ved oppvarming danne oksygen som igjen vil bidra til en eventuell brann.

Genial oppfinnelse

Litium-ion-batteriet er en genial oppfinnelse – der tre forskere fra Japan, Storbritannia og USA ble tildelt Nobels kjemipris i 2019 for oppdagelser de gjorde på 1980-tallet.

Batteriet fungerer ved å flytte litiumioner fra den positive til den negative elektroden under opplading – og motsatt ved utlading. Hvis ikke all ladning blir frigjort ved utlading, kan vi tenke på dette som et ladningstap.

Julia Wind er forsker ved Ife og førsteamanuensis ved UiO, Torleif Lian er sjefingeniør ved Forsvarets forskningsinstitutt, og Preben J. S. Vie er seniorforsker ved Ife og førsteamanuensis ved NTNU EPT. <i>Foto:  Privat</i>
Julia Wind er forsker ved Ife og førsteamanuensis ved UiO, Torleif Lian er sjefingeniør ved Forsvarets forskningsinstitutt, og Preben J. S. Vie er seniorforsker ved Ife og førsteamanuensis ved NTNU EPT. Foto:  Privat

Forholdet mellom ladning ved utlading og oppladning kalles «Coulombsk virkningsgrad». For høykvalitets litium-ion-batterier er denne virkningsgraden godt over 99,99 prosent. De under 0.01 prosent av ladningene som ikke kommer tilbake ved utlading, skyldes at litiumionet har reagert med noe annet i batteriet. Over tid vil dette tapet akkumuleres og bidra til at batteriets totalkapasitet reduseres.

Kan kortslutte

Den farligste aldringsprosessen i litium-ion batterier er om det dannes metallisk litium på den negative elektrodeoverflaten i stedet for at ionene går inn i elektrodematerialet. Dette kan skje om ionene ikke går raskt nok inn i materialet og det blir «kø». Dette skjer dersom ladestrømmen er for høy og temperaturen for lav (<15°C).

Nyere forskning viser at metallisk litium av og til kan oppstå ved romtemperaturer og relativt moderat strømbelastning. Metallisk litium vokser ofte som nåler, og disse nålene kan i verste fall kortslutte batteriet og skape en brann. Vanligvis omformes nålene og batteriet kortslutter ikke, men metallet er der fortsatt og øker brannfaren betydelig. Det er derfor viktig å forstå denne prosessen, og vi forsker aktivt for å bidra til økt forståelse av måter å diagnostisere dannelsen av metallisk litium på.

Spikertesten

Batterisikkerhet kan vurderes på ulike måter. Blant de mer kjente er spikertesten, hvor man presser en spiker inn i batteriet, batteriet kortslutter, og en brann oppstår. Hvor sikkert batteriet er, blir da vurdert ut fra hvor kraftig brannen er. Dette er en kvalitativ metode, og det vil være bedre å bruke en mer nøyaktig metode som måler ved hvilken temperatur en brann i et batteri kan starte og ved hvilken temperatur batteriet «løper løpsk». Slike tester utføres i et instrument vi kaller akselererende oppvarmingskalorimeter. Her varmes batteriet kontrollert opp i små trinn, og temperaturen der batteriet begynner å varme seg selv uten tilførsel av varme, er «egenvarmingstemperaturen», og når batteriet «løper løpsk», er det «kjedereaksjonstemperaturen».

Normalt måles sikkerheten bare på nye battericeller, og de ovennevnte temperaturnivåene er indikatorer på hvor sikre batteriene er. Jo høyere temperaturnivåene er, desto høyere sikkerhet har batteriet. Men det er vel så viktig å forstå sikkerheten for aldrende batterier, for å evaluere om batteriet kan gjenbrukes («2nd life»), eller om det skal resirkuleres.

Figuren viser noen av de mange potensielle årsakene til at litium-ion-batterier kan begynne å brenne. <i>Illustrasjon:  Ife</i>
Figuren viser noen av de mange potensielle årsakene til at litium-ion-batterier kan begynne å brenne. Illustrasjon:  Ife

Bruken kan avgjøre

Tidligere funn har vist at sikkerheten er avhengig av hvordan batteriet er blitt brukt, og spesielt om batteriet er blitt utsatt for høye ladestrømmer ved lave temperaturer. Ved slike forhold kan «egenvarmingstemperaturen» falle betydelig og nærme seg 60°C i stedet for å normalt være over 120°C. Hvis et batteri er aldret feil, og plasseres slik at det kan bli for varmt, vil det kunne begynne å varme seg selv, og etter en stund begynne å brenne.

Det er altså essensielt å forstå og kunne påvise hvordan batterier tidligere har blitt brukt for å kunne si noe om batteriet fortsatt har et framtidig liv, eller om det av sikkerhetshensyn bør resirkuleres.  

Ikke bare å gjenbruke

Det er altså ikke bare å gjenbruke alle brukte elbilbatterier i ethvert egenbygget hjemme-energilager, og tro at du har et system som er trygt nok for å lagre egenprodusert solstrøm i mange år framover.

Kan du bruke brukte litium-ion batterier om igjen? Ja, men det krever kunnskap og forståelse om de batteriene du ønsker å gjenbruke.

Vi har jobbet med forskning på batterisikkerhet og batterialdring støttet av Norges forskningsråd og norsk industri siden 2013 i blant annet prosjektene SafeLiLife, BattMarine, MoZEES, 2nd life og MoreIsLess.

FFIs akselererende oppvarmingskalorimeter for kvantitativ testing av batterisikkerhet (venstre). Restene av et Li-ion batteri etter en sikkerhetstest i kalorimeteret (høyre). <i>Foto:  Ife</i>
FFIs akselererende oppvarmingskalorimeter for kvantitativ testing av batterisikkerhet (venstre). Restene av et Li-ion batteri etter en sikkerhetstest i kalorimeteret (høyre). Foto:  Ife
Les også

Et gjennombrudd, sier produsenten: – Et forhandlingsutspill, sier energianalytiker om ny batteritype

Del
Kommentarer:
Du kan kommentere under fullt navn eller med kallenavn. Bruk BankID for automatisk oppretting av brukerkonto.