Økt forståelse av sikkerheten til maritime Li-ion batterier

Elektrifisering av skip har blitt et viktig vekstområde for en rekke industrier i Norge. Ved å elektrifisere skip reduseres energiforbruk, gjenværende drivstofforbruk og dermed utslippene av klimagasser som CO₂ og NOx betydelig.

I Norge er det over 300 batterielektriske skip i drift, noe som utgjør over en tredjedel av de batterielektriske skipene på verdensbasis. MF «Ampere», bygd i 2014, var verdens første batterielektriske ferge. Nå settes det stadig større fokus på elektrifisering av andre skipstyper, og kravet om at alle skip i Norges verdensarvfjorder skal være utslippsfrie fra 2026 vil også spille inn. 

Enorme batterier

Litium-ion batterier brukes i dag som lager for elektrisk energi i nesten alt som kan lades; fra mobiltelefoner, elektriske sykler og sparkesykler, til elbiler og elektriske skip. Prinsippet for batteriets virkemåte er det samme, men størrelsen og energimengden kan variere enormt. Et typisk mobiltelefonbatteri lagrer ca 20 Wh (100 g), et el-bilbatteri lagrer opptil 100 kWh (~650 kg), og en konvensjonell bilferge kan være på 5 MWh (~ 33 tonn). Det største skipet i drift med batterier i dag har en lagringskapasitet på 10 MWh («Aida Perla»), og det planlegges nå en batterielektrisk bilferge med et batteri på hele 40 MWh som skal settes i drift i 2025. 

Mer krevende for skipsbatterier

Det er velkjent at Li-ion batterier har utfordringer med sikkerhet. Dette skyldes at batteriet har en meget høy energitetthet og at de fleste komponentene i batteriet er brennbare. For store batterisystemer er det ekstremt viktig at sikkerheten er ivaretatt, siden konsekvensene ved en potensiell brann kan være katastrofale. Det er derfor viktig å ha god forståelse av batteriet, spesielt med hensyn til sikker og pålitelig bruk. Når battericellene brukes, mister de kapasitet litt etter litt (aldring). Hvor mye kapasitet de mister er avhengig av temperatur og hvordan batteriene brukes, noe som påvirker sikkerhetsegenskapene. Li-ion cellene som brukes i maritime anvendelser er utsatt for mer krevende forhold sammenlignet med for eksempel elbilbatterier. Det kreves et betydelig antall ladesykluser og en levetid langt over forventet levetid i elektriske biler. 

Det er lite tilgjengelig kunnskap om sikkerhetsegenskapene til store aldrede Li-ion celler. På Institutt for energiteknikk (IFE) samarbeider vi tett med Forsvarets forskningsinstitutt (FFI) for å øke forståelsen av hvordan sikkerhetsegenskapene endres over tid i både kalde og varme temperaturer. 

Hvordan gjør vi dette?

Vi har valgt å forske på en rekke kommersielle Li-ion celler som er spesielt viktig for den maritime næringen. Så langt har vi testet mer enn 130 battericeller av en spesiell celletype for å undersøke både levetid og sikkerhetsegenskapene. 

Levetiden til batteriet er utforsket ved forskjellige temperaturer, strøm, ladetilstandsvindu og ladetilstand. Vi fant at jo høyere temperaturen er over romtemperatur, desto lavere blir levetiden. I tillegg er effekten av å unngå full opplading betydelig: ved å begrense maksimal ladetilstand til 80% blir levetiden forlenget med rundt 150%. 

Sikkerhetsegenskapene er utforsket ved hjelp av både branntester og kvantitative sikkerhetstester i samarbeid med RISE3 og FFI. Branntestene ble utført på både nye og aldrede celler, og ved forskjellige ladetilstander for de nye cellene. Brannene ble startet på tre forskjellige måter: ved hjelp av overlading, overoppvarming eller kortslutning av cellen med en gjennomtrengning av en spiker. 

Det ble oppdaget at måten brannen ble initiert på, påvirket varmeutviklingen fra batteriene betydelig. De kvantitative branntestene viste at batterier som var aldret til 80% gjenværende kapasitet ved lave temperaturer og relativt høy strøm, hadde en betydelig høyere sikkerhetsrisiko enn nye batterier, mens aldring ved høy temperatur gir dårlig levetid, men ikke reduserte sikkerhetsegenskaper.

For å finne ut hva som skjer inne i battericellen når den aldres, ble det utført post-mortem undersøkelser av utvalgte Li-ion celler. Det betyr at batteriet ble åpnet i en kontrollert og beskyttet atmosfære (uten oksygen og fuktighet), og alle cellens komponenter ble undersøkt. Dette gir oss verdifull innsikt og forståelse av årsakene til aldring og hvilken av disse som påvirker sikkerheten mest. 

Det er meget tidkrevende å utføre post-mortem undersøkelser og sikkerhetstester. Om man kan øke forståelsen for aldringsmekanismer basert på detaljerte og nøyaktige batteritestdata vil dette kunne gi muligheter for tidlig og enkel deteksjon av sikkerhetskritiske aldringsbetingelser. Under levetidstestinga ble det utviklet detaljerte testprosedyrer for å hente inn høykvalitetsdata som kan nettopp det.

Basert på det vi fant i post-mortem undersøkelsene og fra levetidsdataene ble det utviklet matematiske modeller for å beskrive både batteriets funksjon og aldring. De mest detaljerte modellene beskriver de komplekse elektrokjemiske prosessene i batteriet, og bidrar til økt forståelse av hvordan batteriet aldres. I tillegg ble en enklere levetidsmodell utviklet, og denne kan benyttes til å forutsi batterialdring basert på forventet bruk i for eksempel et skip.

Bedre og sikrere batteristyringssystemer

Det er spesielt viktig å forstå når en Li-ion-celle kan bli en sikkerhetsrisiko og kunne påvise dette i forkant ved hjelp av diagnostiske data. Vi kan da bidra til å vurdere om aktive Li-ion celler bør tas ut av drift, om brukte Li-ion celler kan gjenbrukes videre, eller om de bør resirkuleres i stedet på grunn av at sikkerhetsegenskapene er redusert for mye. Hvis våre funn om tidlig påvisning av sikkerhetskritiske driftsbetingelser viser seg å være reproduserbare, kan dette ha stor betydning for videre diagnostikk av Li-ion celler i drift. Denne kunnskapen kan i framtida implementeres i batteristyringssystemene for elektriske skip for å forbedre diagnostikken i disse. Det vil også være nyttig for resten av forskningsfeltet og samfunnet å få forbedret kunnskap om sikkerheten av store Li-ion celler.