Accubranden, een gevaar in opkomst

Draagbare energie

Het gebruik van oplaadbare batterijen (accu’s) is de laatste 20 jaar explosief gestegen. Hiervoor zijn twee oorzaken aan te geven:

  • de sterke opkomst van “personal electronics” zoals smartphones, laptops en tablets;
  • de vraag naar schone en comfortabele vervoermiddelen zoals de e-bike en de hybride of volledig elektrische auto.

Al deze toepassingen hebben één technisch aspect gemeen: we willen graag zoveel mogelijk elektriciteit opslaan in een zo klein en licht mogelijke accu, en bovendien willen we die accu in zo kort mogelijke tijd weer opladen na gebruik.

Apparaten met een accu

Deze wensen hebben geleid tot de ontwikkeling van nieuwe accutechnologie, op basis van Lithium. Deze technologie levert accu’s op die aan de genoemde wensen voldoen: licht in gewicht, hoge energie-inhoud en veelvuldig op te laden zonder groot kwaliteitsverlies. Een verzamelnaam voor deze accu’s is Li-Ion.

Maar deze nieuwe technologie heeft ook een nadeel: de gebruikte chemische stoffen in de accucellen kunnen spontaan ontleden waarbij zeer hoge temperaturen en drukken in de accucel ontstaan. Deze ontledingsreactie noemt men “thermal runaway” – als de ontledingsreactie eenmaal gestart is dan kan deze niet meer gestopt worden en zal de gehele inhoud van de cel verbranden.

De Li-Ion accucellen zijn er in twee vormen: een ronde staaf (vergelijkbaar met een klassieke batterij) of een plat pakketje dat ook wel “pouch” genoemd wordt. De pouch vorm is gebruikelijk in smartphones, tablets en laptops.

Grote accu’s bestaan uit tientallen, honderden of soms duizenden cellen die met elkaar verbonden zijn. Een fietsaccu kan bijvoorbeeld 48 ronde cellen bevatten.

Let op: in een Li-Ion cel zit geen Lithium in metaalvorm, en een brandende Li-Ion cel is dan ook geen metaalbrand! Klassieke blusmiddelen voor metaalbranden, zoals D-bluspoeder, zijn niet geschikt voor het blussen van Li-Ion accucellen.

 

Voorbeelden van Li-Ion accu’s

Soorten Accu's

LI-ION Accu's

In kwalitatief goede accu’s op basis van Lithium-Ion technologie wordt door fabrikanten standaard een beveiliging tegen te hoge laadstroom en te grote ontlading ingebouwd. Dit wordt het battery management system genoemd.

Battery management system

Belangrijke kanttekening: deze elektronische beveiliging kan uiteraard niets doen tegen mechanische beschadigingen of oververhitting door brand van buitenaf.

In losse Li-Ion cellen zit deze beveiliging niet. Daarom een belangrijke opmerking: ga niet knutselen en experimenteren met Li-Ion cellen zonder beveiliging!  Veel branden van Lithium accu’s vinden plaats in de hobby sfeer zoals modelauto’s en speelgoed.

 

Thermal runaway: oorzaak en gevolg

Er zijn verschillende oorzaken voor thermal runaway:

  • een te hoge laadstroom;
  • een te grote ontlading van de accu;
  • een mechanische beschadiging van de accu;
  • hitte van buitenaf.

Bij een thermal runaway komt veel energie vrij waardoor de temperatuur en de druk in de accucel snel oploopt. Hierdoor kan de cel openbarsten en wordt brandend materiaal weggeslingerd.

Een accu bestaat altijd uit meerdere cellen. Door de thermal runaway in de eerste cel ontstaat een dermate hoge temperatuur dat ook naastliggende cellen worden aangetast en ook in die cellen een thermal runaway ontstaat. Het resultaat is een onbeheersbare kettingreactie die zal voortgaan totdat alle chemicaliën in de accu zijn opgebrand.

 

Welke accu’s vormen een risico, en welke niet?

Lood/zwavelzuur accu’s

Lood/zwavelzuur accu’s worden toegepast in auto’s als startaccu, in vorkheftrucks als accu voor de aandrijving (zgn. Tractieaccu’s), in brand- en inbraakbeveiligingssystemen en in grote noodstroomsystemen. Overal waar afmetingen en gewicht niet kritisch zijn worden lood/zwavel accu’s nog altijd veelvuldig gebruikt.

Lood/zwavel accu’s zijn niet brandgevaarlijk. Bij een te grote laadstroom of een te grote ontlading kan de accu beschadigd raken, maar thermal runaway is niet mogelijk bij dit type accu. De materialen in de accu zijn onbrandbaar, hooguit de kunststof behuizing kan branden. Bij het opladen van dit type accu komen geringe hoeveelheden waterstofgas vrij die bij voldoende ventilatie van de ruimte geen enkel risico vormen.

nikkel/cadmium accu’s

Nikkel/cadmium accu’s (NiCd) worden toegepast in allerlei oplaadbare apparatuur zoals zaklantaarns, meetapparatuur en noodverlichting. NiCd accu’s zijn goedkoop, compact en betrouwbaar. NiCd accucellen zijn hermetisch gesloten; bij normaal gebruik komen er geen vloeistoffen of gassen vrij. Nadeel van NiCd is dat de kwaliteit na een aantal oplaadcycli terugloopt waardoor de energieopbrengst al snel vermindert.

Nikkel/cadmium accu’s zijn niet brandgevaarlijk. Bij een te grote laadstroom of een te grote ontlading kan de accu beschadigd raken, maar thermal runaway is niet mogelijk bij dit type accu. De materialen in de accu zijn onbrandbaar, hooguit de kunststof behuizing kan branden.

Lithium Ion accu’s

Met de verzamelnaam Lithium Ion accu’s worden een aantal verschillende accutechnieken aangeduid. Deze accu’s bevatten geen lithium in de vorm van het metaal lithium, maar chemicaliën (zouten of polymeren) die lithium bevatten. Deze chemicaliën hebben met elkaar gemeen dat ze instabiel zijn en gemakkelijk ontleden.

Lithium Ion accu’s kunnen brandgevaarlijk zijn. De toegepaste chemicaliën in deze accu’s kunnen ontleden door te hoge laadstroom, door te grote ontlading, door mechanische beschadigingen of door hitte van buitenaf. Een brand in een lithium ion accucel is geen metaalbrand, maar een chemische ontledingsreactie waarbij veel energie vrijkomt. De vrijkomende hitte zorgt ervoor dat een steeds groter deel van de celinhoud gaat ontleden en kan zelfs in naastliggende cellen een ontledingsreactie veroorzaken. Dit verschijnsel wordt thermal runaway genoemd.

Bij een thermal runaway lopen de druk en de temperatuur in de accucel hoog op waardoor de cel openbarst en brandende delen weggeslingerd kunnen worden. Hierdoor kan gemakkelijk brand ontstaan in gordijnen, meubilair en andere brandbare voorwerpen in de omgeving van de accu.

 

Blussen van Lithium-ION accu’s

Er zijn op dit moment geen blusstoffen bekend die om de ontledingsreactie in een Lithium Ion cel (de thermal runaway) kunnen stoppen. Blussen van de brandende cel is daarom niet mogelijk.

Maar wat kun je dan wel doen om de schade te beperken?

Het allerbelangrijkste is het koelen van de beschadigde cel, zodat de thermal runaway beperkt blijft tot die ene cel. Daarnaast moeten andere brandende materialen, zoals de plastic omhulling van de accu, snel en blijvend gedoofd worden zodat de brand zich niet verder uitbreidt.

Effectieve blusmiddelen hebben dus een groot koelend vermogen én een hoge effectiviteit op vaste stof branden. Alleen blusstoffen op waterbasis bieden beide effecten; bluspoeder en CO2 kunnen niet gebruikt worden om brandende Lithium Ion accu’s onder controle te krijgen.

Om brand door mechanische beschadiging te voorkomen, zijn Li Ion accu’s meestal stevig ingepakt in een metalen of slagvast kunststof behuizing. Dit maakt het blussen van brandende Li Ion accu’s extra lastig. Pas als de behuizing is opengebarsten zijn de cellen bereikbaar voor het blusmiddel.

de saval Bioclass B6P-SC-HR en B9P-SC-HR bieden de hoge A-rating die nodig is voor een doeltreffende blussing van Li-Ion cellen

Blussen van kleine Li-Ion accu’s

Een kleine lithium accu zoals die in een smartphone, laptop, tablet, speelgoed of oplaadbaar gereedschap, kan goed geblust worden met een draagbaar blustoestel met water+additief of schuim.

Selectie van het juiste blustoestel

Zoals hierboven is aangegeven, is een groot koelend vermogen van de blusstof van belang om de omvang van de  brand te beperken en uitbreiding naar andere cellen te voorkomen. Blustoestellen met een hoog blusvermogen op de brandklasse A (A-rating)  hebben in het algemeen een zeer goed koelend vermogen en bevatten daarnaast additieven die ervoor zorgen dat brandende kunststoffen en andere materialen rondom de accucellen snel gedoofd worden en niet herontsteken.

Uit een brandende lithium accu komen giftige en irriterende stoffen vrij. Het blustoestel moet een worplengte van 3 meter of meer hebben om de accu van veilige afstand te kunnen blussen.

Blustechniek

Bij het gebruik van een draagbaar blustoestel om een brandende lithium accu onder controle te krijgen moet de blusstof direct op de brandende cel gespoten worden. Koel de brandende cel af door ca. 2/3 van de inhoud van het blustoestel direct op de brandende cel te spuiten. Dit komt overeen met ca. 15-20 seconden. Houd de resterende 1/3 van de inhoud van het blustoestel beschikbaar om restvlammen of een herontbranding te doven.

Na gebruik van het blustoestel de accu – indien nodig inclusief het apparaat waarin de accu zit – langdurig afkoelen door onderdompeling in water.

 

Fietsaccu’s

Een brandende fietsaccu is zeer moeilijk te blussen omdat de Li-Ion cellen verpakt zitten in een stevige kunststof of aluminium behuizing.  Met een brandblussers met een hoge A-rating kunnen vlammen aan de buitenkant doeltreffend gedoofd worden, maar het is moeilijk om de aangetaste Li-Ion cellen in de accu te bereiken.

Daarom is preventie belangrijk:

  • laad fietsaccu’s bij voorkeur niet in de woning op;
  • als de accu binnenshuis opgeladen moet worden, zorg dan voor een werkende rookmelder.

Als het toch misgaat:

  • breng de accu bij de eerste tekenen van brand (rookvorming) naar buiten, dompel deze geheel onder en laat minimaal 24 uur afkoelen totdat er geen warmte- en rookontwikkeling meer waarneembaar is.

 

Blussen van grote Li-Ion accupakketten

Het blussen van grote lithium accu’s zoals die o.a. in elektrische auto’s worden toegepast, is zeer lasting. Niet alleen is de inhoud van de cellen zeer groot, ook zijn deze accupakketten vaak volledig ingebouwd in een voertuig of ander apparaat. Daardoor het vrijwel onmogelijk om de brandende cellen te bereiken met de blusstof en zo doeltreffend te koelen. De vrijkomende giftige en irriterende stoffen maken het bovendien zeer risicovol om de brandende cellen te benaderen.

Dit geldt eveneens voor grotere hoeveelheden bij elkaar opgeslagen accu’s. Ook in die situatie is het vrijwel onmogelijk om de brandende cel(len) te bereiken en zo de brand onder controle te krijgen.

Op dit moment is het enige effectieve en veilige blustechniek voor grote accupakketten en grote hoeveelheden Lithium Ion accu’s: volledige en langdurige onderdompeling in water.

 

Automatische blussystemen voor Lithium-ion accu’s

Ook automatische blussystemen moeten een hoog koelend vermogen bezitten om een brandende lithium accu onder controle te houden. Voor een vast geïnstalleerd systeem is het nog lastiger om de brandende cel(len) gericht te bereiken, daarom moet een brandblussysteem voor Lithium-Ion accu’s de gehele omvang van de accu of accu’s afkoelen. Op dit moment kan alleen een geavanceerd sprinklersysteem dat.

Blusgassystemen of high-expansion schuimsystemen kunnen weliswaar de gehele accuruimte vullen, maar bieden volstrekt onvoldoende koelend vermogen om branduitbreiding in de accu’s te verhinderen.

Door de gecompliceerde applicatie komen automatische blussystemen voor Li-Ion accu’s in de praktijk niet voor.

 

Voorkomen is beter dan blussen!

Li-Ion accu’s vormen bij brand een groot risico voor de gebruiker en de omgeving. Bovendien zijn brandende Li-Ion accu’s moeilijk te blussen. Daarom is het belangrijk om deze accu’s veilig te gebruiken. Met een paar simpele maatregelen kunnen de risico’s sterk verminderd worden – niet alleen op het werk, maar ook thuis!

 

Ben je thuis veilig?

  • Vermijdt het opladen van je smartphone in de slaapkamer;
  • ’s nachts opladen:
    doe het in een ruimte met een rookmelder;
  • ’s nachts opladen: doe dit op een onbrandbaar oppervlak;
  • speelgoed alleen opladen onder toezicht;
  • nooit hobby-en met Lithium-Ion accu’s!
Geschreven door Wim Kwakkenbos
Manager technology