Forsvaret tester brukte elbilbatterier: – Bør få nytt liv både sivilt og militært

Kjeller, Viken: I et av laboratoriene til Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) står det en massiv stålboks i et eget rom med solide dører, også de av stål. Lokket på boksen er så tungt at det må løftes med vinsj. Inne i boksen er det et varmeisolert kammer, et utvalg målere og et videokamera.

Boksen brukes til å måle termisk stabilitet. Prosessen går ut på å varme et batteri langsomt opp til det begynner å selvvarme. Det varmeisolerte kammeret følger da temperaturforløpet til batteriet. Når batteriet slutter å selvvarme, økes temperaturen gradvis til et nivå der batteriet igjen selvvarmer. Prosessen gjentas til batteriet havarerer.

Om innpakningen revner, slik at batterigasser siver ut i kammeret, kan det oppstå eksplosive branner. Gnisten fra en kortslutning kan være nok.

– Du hadde våknet av det levenet som oppstår da, fastslår Sissel Forseth, sjefforsker ved FFI.

Når temperaturøkningen i batteriet er større enn 10 grader i minuttet, har det per definisjon oppstått en thermal runway eller termisk rusing, som det heter på norsk. En termisk rusing beskriver reaksjoner der varmeutviklingen akselererer stadig hurtigere, som igjen medfører at batteriet åpnes og eventuelt skyter ut innholdet sitt.

I tillegg kan batterigassene ta fyr, og det kan oppstå branner og eksplosjoner. I enkelte tilfeller kan én defekt celle i en batteribank være nok til at det oppstår varmegang og, i verste fall, termisk rusing som sprer seg til resten av cellene i batteribanken.

Dersom dette skulle inntreffe i et hjemmebatteri med elbilbatterier, er det, som vi skal høre, bare å komme seg unna.

Skal kartlegge elbilbatterier

Denne typen batteri-scenarioer skal FFI teste i prosjektet 2nd life – value of second life batteries in the future energy system. Prosjektet er ledet av Institutt for energiteknikk (Ife). Mens Ife skal fordype seg i hvordan batteriene degraderes, har FFI ansvaret for sikkerhetstestene.

Nærmere bestemt skal de undersøke hvordan degraderingen påvirker batterienes termiske stabilitet. Kjemiingeniøren venter nå på at de første battericellene fra elbiler skal ankomme testlaboratoriet på Kjeller.

Formålet med FFIs del av prosjektet er å kartlegge om brukte elbilbatterier kan ha dårligere termisk stabilitet enn nye. Når prosjektet er ferdig i 2024, vil det munne ut i vitenskapelige rapporter og artikler om gjenbruk av elbilbatterier. NTNU og flere andre institusjoner skal også være med på prosjektet.

– Forhåpentligvis vil resultatene også kunne brukes som innspill til nye forskrifter, sier Forseth.

Hun minner om at flere av gassene som frigjøres når litiumionebatterier havarerer, som metan, karbonoksid og flussyre ikke bare er lettantennelige, de er også svært giftige. Forseth synes det er på høy tid at alternativ bruk av slike batterier reguleres.

– Bør brukes lengst mulig

Det er lenge siden elbilprodusentene gikk over til litiumionebatterier, og i årene framover vil antallet elbilbatterier som går ut på dato, øke dramatisk. Bilfabrikantenes garantier varer gjerne til restkapasiteten er redusert til 80 prosent. Da kan man vurdere å bruke batteriet videre, avhende det eller gi det nytt liv i andre applikasjoner. En bolig, for eksempel.

Elbilbatterier er allerede tatt i bruk til bufring av strøm. I Norge er det opprettet flere selskaper som har spesialisert seg på ombygging av elbilbatterier de siste årene. Både i industrien og de tusen hjem er det lønnsomt å lagre solenergi eller nettstrøm når spottprisen er lav, for så å ta den fram når prisen skyter i været.

Effektutjevning er blitt desto mer aktuelt nå som også vanlige husholdninger får effektledd på strømregningen. Det går i korthet ut på at man straffes for å bruke mye strøm på en gang. Myndighetene håper at det skal minske behovet for å bygge ut kraftnettet.

– Målet med forskningen vår er ikke at gjenbruk av elbilbatterier skal bli forbudt. Tvert imot. Både miljøet og samfunnsøkonomien er tjent med at vi bruker elbilbatterier lengst mulig. Vi vil bare at det skal være sikkert, understreker Forseth.

Hun vet så altfor godt hva som kan skje hvis batterier kommer ut av kontroll.

Brann i batteribåter

Forseth har doktorgrad i uorganisk kjemi og har jobbet med batteriteknologi i over 25 år. Hun var en av dem som brann- og redningstjenesten rådførte seg med da det tok fyr i batterirommet på båten Brim Explorer i mars i fjor.

Forseth var også med på å utrede årsaken til batterihavariet på elferja Ytterøyningen i 2018. Den gangen utviklet batterihavariet seg til en eksplosiv brann. Gasser fra batteriet lakk ut i batterirommet og antente.

– Eksplosjonen på Ytterøyningen var så kraftig at hele dekket bøyde seg, minnes Forseth.

– Heldigvis var det ingen som ble skadet.

Senker bilen i vann

På en parkbenk utenfor instituttets lokaler på Kjeller gir hun et lynkurs i hvordan man bør forholde seg dersom det oppstår brann i et litiumionebatteri. Instruksen kan oppsummeres med tre ord: Kom deg unna!

– I en bil er det bare å stanse, komme seg på sikker avstand og ringe brannvesenet. Hvis det skjer noe tilsvarende med et hjemmebatteri, bør man kutte strømmen til systemet hvis man har tid, komme seg ut og ringe 110, anbefaler hun.

– Hvis man slå av strømmen, kan man kanskje klare å begrense skadeomfanget, tilføyer hun.

Forseth forteller at den beste måten å slokke en batteribrann i en bil på, er å senke bilen i en konteiner med vann. Foreløpig er det ikke funnet noe som er mer effektivt enn vann mot brann i li-ionbatterier. Mye vann.

Et litiumionebatteri inneholder brennbare materialer. Ettersom de dessuten avgir oksygen når de blir overopphetet, har de alt som trengs for å underholde sin egen brann. Brannslokkingsgasser (inertgasser) som reduserer mengden oksygen, er ikke effektive nok mot slike branner.

Forseth håper at forskningsresultatene de etter hvert kommer fram til, også skal kunne brukes til å gi råd om tidlig deteksjon av brannrisiko. Hun nevner sensorer for elektrolyttdamp som et livreddende tiltak.

– Det er elektrolyttdampen som kommer først når batteriet er i ferd med å havarere, forklarer hun.

I et bygg kan man med fordel plassere slike sensorer i taket i batterirommet og ved inn- og utløpet av ventilasjonen, sier Sissel Forseth.

Full dissekering

Ife, som holder til i nabobygget, skal ta for seg den elektrokjemiske karakteriseringen av batteriene. Hvordan elbilbatteriene degraderes når de kommer til skjells år og alder, og hvordan ulik bruk påvirker batterimaterialene.

Hvor mye har for eksempel ladesyklusene og behandlingen av batteriene å si for batteriets videre sikkerhet og varighet?

– Kan hende kan batteriene få et lengre liv i en ny applikasjon hvis de lades langsommere. Til husbruk er man kanskje ikke så opptatt av ladehastighet som på en ladestasjon, påpeker Hanne Flåten Andersen, forskningsleder for batteriteknologiavdelingen ved Ife og prosjektleder for 2nd life-prosjektet.

Til disse «post mortem-testene» kreves full dissekering. Med en hanskeboks med argonmiljø kan man ta fra hverandre batteriene uten å risikere å kontaminere prøvene eller å få uønsket kjemi på fingertuppene.

Uønskede belegg

I tillegg til å grave seg ned i materialene ønsker forskerne å utvikle metoder som kan fortelle hvordan batterihelsa er uten bruk av destruktive målemetoder.

Flåten Andersen forteller om flere faktorer som kan redusere ytelsen til et li-ionbatteri. Ofte kan det danne seg et lag rundt anoden, et SEI-lag (solid electrolyte interphase), som blir tykkere med årene, og som etter hvert kan trenge inn i selve anoden.

– Da vil ikke ionene slippe like lett gjennom lenger, sier Flåten Andersen.

Sprekkdannelser, materialer som løsner fra elektrodene og ioner som vandrer med redusert fart er andre faktorer forskerne ved IFE vil se nærmere på i mikroskopet.

– Mye av dette kan også påvirke sikkerheten til batteriet. Vi ønsker å ligge i forkant og utarbeide retningslinjer for viderebruk av elbilbatterier før de store volumene kommer, sier Flåten Andersen.

I Forsvaret trekkes det blant annet fram at å erstatte blybatterier med litiumionebatterier i tunge, militære kjøretøyer kan føre til økt utholdenhet i operasjoner med hovedmotor av samt reduserte driftskostnader og miljøutslipp.

– Litium-ion-batterier kan også komme til anvendelse for utvalgte fartøy i Sjøforsvaret, sier Sissel Forseth.