Li-ionbatterier i det sivile samfunn fokus sikkerhet Vegvesenet 07.april 2016 Sissel Forseth Sissel.Forseth@FFI.no Påstand og forutsetning Li-ionbatteriteknologien har nå et tilstrekkelig modenhetsnivå for å bli tatt i bruk i større militære plattformer For å kunne gjøre dette på en forsvarlig måte kreves det imidlertid: Innsikt i disse batterienes spesielle egenskaper Kunnskap om plattformens egenskaper og bruk 1
Innhold 1. Innledning 2. Det sivile samfunn går foran 3. Elektrisk batteri generelt Liionbatteri spesielt 4. Sikkerhetsaspekter 5. Anbefalte tiltak for å ivareta sikkerheten 6. Oppsummering FFIs strømforsyningsgruppe fokus batterisikkerhet Støtter Forsvaret og Sjøfartsdirektoratet SafeLiLife Sikkerhet og levetid for Liionbatterier i maritime applikasjoner Norsk forum for Batterisikkerhet Strømforsyningsgruppen alt fra analyser til fullskala tester på skytefelt 2
Det sivile samfunn går foran Wh til MWh Wh kwh Flere MWh Flere MWh Det norske forsvaret bare Li-ionbatterier i soldatsystemer, radioer, sensorer og AUV Wh kwh 3
Li-ionbatterier i større militære plattformer Avhengig av typen plattform vil dette kunne gi: Muligheter Lavere akustisk og termisk signatur Økt utholdenhet når hovedmotor er av eller ved hybridelektrisk fremdrift Redusert belastning på logistikkkjeden pga. redusert drivstoff-forbruk og lengre batterilevetid Utfordringer Større kostnad ved anskaffelse Forhold knyttet til sikkerhet krever ekstra omtanke Energitetthet for en del kjente batterikjemier Li-ionbatterier - ulike kjemier, formater og egenskaper mpoweruk.com 4
Oppbygging av en Li-ioncelle Katode (+): Litiummetalloksid, ulike blandinger Elektrolytt: Organisk væske, eks DMC,EC og tilsatt LiPF 6 pga ledningsevne ++ additiver Anode (-) : Mest vanlig med karbon Separator: Mest vanlig PE, PP Strømhentere: Al og Cu DMC: dimetylkarbonat, EC: Etylenkarbonat, PE: polyetylen, PP: polypropylen https://cen.acs.org/content/cen/articles/91/i6/assessing-safety-lithium-ion- Batteries/_jcr_content/articlebody/subpar/articlemedia_3.img.jpg/1360273164472.jpg Sikkerhetsaspekter noen kjente hendelser BOEING DREAMLINER B787: 3 branner 5
Sikkerhetsaspekter noen kjente hendelser TESLA Her fra brann januar 2016 Li-ionbatterier en potensiell bombe? Energitetthet til TNT 1.86 kwh/liter Energitetthet til avanserte batterier 0.700 kwh/liter Energitetthet til sjokolade 6.1 kwh/liter 6
Sannsynlighet for en uønsket hendelse er liten Antall Li-ionceller som produseres per år er ca 5 milliarder (2014). Antall hendelser som skyldes feil i Li-ionceller, fordelt på antall celler som produseres er på ppm nivå. http://image.shutterstock.com/display_pic_with_logo/702943/10227 0784/stock-photo-row-of-different-types-batteries-102270784.jpg Men konsekvensene av en feil kan være stor, spesielt for store batteripakker. Faktorer som fører til uønsket hendelse i et litiumioncelle/batteri Årsaker Konsekvenser 7
Batterihavari eksempel Li-ionbatteri energi-innhold 173 Wh NB! Omsetningen av energien i batteriet foregår sekvensielt Bidrag til varmeutviklingen ved brann 18 mm Forbrenningsenergien til elektrolytten er omtrentlig 30% av forbrenningsenergien til diesel. B Barnett et al., TIAX 8
Brennbare og giftige gasser fra elektrolytten Abuse Response of 18650 Li-Ion Cells with Different Cathodes Using EC:EMC/LiPF6 and EC:PC:DMC/LiPF6 Electrolytes. Rothe, E.P. 19, s-l.: ESC Translations, 2008, Vol.11, pp.19-41. 10.1149/1.2897969 ARC: Adiabatic reaction calorimeter Brann i og i tilknytning til batteriet Intern brann, kjøling: Mye vann/ tungt skum: Man klarer ikke å «kvele en Liionbrann» - oksygenutvikling fra katoden, brennbar elektrolytt Fare for utkast / eksplosjon Fare for ettertenning Særdeles vanskelig å komme til der det brenner Ekstern brann valg av slukkemiddel sees i sammenheng med type plattform https://iconsafety.files.wordpress.com/2011/12/image1.png 9
Hva gjøres for å redusere sannsynlighet og konsekvens Celle Batteridesign Batterirom m/ infrastruktur Kontroll- og styringssystem, BMS Årsaker Konsekvenser Oppsummering Sikker bruk av Li-ionbatterier krever kunnskap om mulige feiltilstander og konsekvensene av disse samt hvordan de kan håndteres I tillegg kreves det kunnskap om farkostens egenskaper og bruk 10