Tema: Framtidens batterier – ny forskning som passerar alla gränser

Tema: Framtidens batterier – ny forskning som passerar alla gränser

Förr i tiden pekades ofta förbränningsmotorn ut som bilens hjärta. Ett av de mest grundläggande organen för att få allt att fungera. I takt med att högvoltsfordon blivit en allt större del av vår vardag har den bilden gradvis förändrats. För högvoltsfordon ligger en stor del av fokus istället på batteripaketen. Och det är just batteripaketen som RISE senaste forskningslaboratorium i Borås kommer att fokusera mycket på. DMV fick en tjuvkik, strax innan den nybyggda forskningsanläggningen togs i drift.

Vissa artiklar är svårare att skriva än andra. Det här är en av dem. Anledningen är att tonfallet lätt kan uppfattas som alarmistiskt. Det är inte syftet och det är något som artikelns två huvudpersoner, RISE platschef vid det nybyggda laboratoriet för säkerhetskritisk provning, Max Rosengren och hans forskarkollega Lars Fast, är noga att betona.


Lars Fast, seniorforskare för batterier, batterisystem och elsystem (t.v.) och Max Rosengren, platschef för RISE senaste forskningsanläggning för säkerhetskritisk provning av batterier för högvoltsfordon, framför huvudbyggnaden i Borås.

Forskningscentret är RISE senaste tillskott, med uppgift att genomföra tester av fordonsbatterier till en rent förstörande grad. Allt för att i detalj och i kontrollerade former avgöra exakt vart batteripaketens gränser går, så att olyckor inte ska uppstå ute i samhället.

En stor del av fokus ligger just på fordonsbatterier till högvoltsfordon. I den uppgiften ingår exempelvis att direkt eller indirekt utsätta batteripaketen och hela fordon för olika former av brandförlopp.

– Faktum är att bilden att elbilar brinner är starkt överdriven, inleder Max Rosengren. I flera avseenden klarar de en fordonsbrand bättre än vad en fossildriven bil med förbränningsmotor gör. Men det är klart att det jag säger kan låta dramatiskt. Det är det här vi jobbar med, att fastställa hur snabbt det går åt skogen så att olyckan aldrig ska behöva hända ute i samhället.


Forskningscentret hanterar också skakvåld och kan utföra mindre brandprover av batteripaket i ett särskilt värmetåligt skåp som även klarar att ställas in för olika temperaturer.

Arbetet sker i forsknings och testningssyfte, till gagns för både industrin, samhället och kunskapshöjande insatser inom högre läroverk.

För att riva av plåstret redan inledningsvis: Ja, under vårt samtal kommer det talas om brinnande elfordon, kortslutna litiumjonbatteripaket och säkerhetsfrågor kopplade till detta. Samtalet kretsar helt kring laboratoriets uppgift och RISE forskares erfarenhet i sådana förstörande prover. Erfarenhet som bygger helt på forskarnas egna erfarenheter och forskningsresultat, medvetet skapade i kontrollerad laboratoriemiljö.

“TÅL VÄLDIGT MYCKET”

Det är genom de läsglasögonen som informationen i den här artikeln ska läsas. 

– Dagens batteripaket i fordon tål väldigt mycket, försäkrar Max Rosengren. Alla är ju testade och certifierade och deras angivna hållbarhetsbeskrivning stämmer väldigt väl mot verkligheten. Däremot har olika fordonstillverkare också olika krockskydd och det är klart att krockskydden avgör hur många G-krafter batteripaketet utsätts för vid en kollision.


Forskningscentret har två skakriggar. Här syns den mindre av de två, som klarar att simulera skakvåld i horisontellt och vertikalt läge eller valfri vinkel däremellan. Även här kan forskarna tillsätta flera andra faktorer, som önskade temperaturer samt olika battericykler. Hela rummet är explosions- och brandsäkrat, med öppningsbara övertryckstakluckor.  

Den större skakriggen är den största, och mest kraftfulla, som finns att tillgå. Riggen står på en egen betongbädd och är nedsänkt 900 mm i förhållande mot övrig gjuten platta. All personal befinner sig förstås i ett säkrat kontrollrum, men skakvåldet är så kraftfullt att det ändå vore ytterst obehagligt att vistas i rummet under pågående test. Något som förstås av säkerhetsskäl inte kommer att förekomma. Liksom för den lilla riggen är den stora riggen också omsluten av en på alla sätt explosions- och brandsäkrad hall.

En ökad kunskap om hur litiumjonbatteripaketen påverkas av olika faktorer blir allt viktigare, i dagens samhällsbild där utvecklingen av elektrifierade transporter går starkt framåt. Det gäller framförallt bilar, men har också ökat i relevans för flygindustrin och även den marina sektorn. Den kunskap som RISE besitter blir i detta utvecklingspussel viktig för en fortsatt säker utveckling av tekniken.

I eldrivna personbilar, oaktat om det rör sig om hybriddrift eller ren eldrift, ses idag batteripaketet i allt högre utsträckning dessutom som något av fordonets hjärta. Det har samma centrala betydelse som förbränningsmotorn har för fossildrivna bilar.

Då just skador och skadekonsekvenser är forskningscentrets primära uppgift ligger fokus förstås på skadade batteripaket och de risker som finns kopplade mot dessa.

VISSA RISKER

Max Rosengren har ett grundtips till bärgare och skadeverkstäder, som hanterar skadade elfordon:

– Om krockkuddarna löst ut i fordonet så tycker jag personligen att man bör vara försiktig med batteripaketet, säger han. Om fordonet vält, legat på sidan eller upp och ned eller om fordonet börjat brinna, så bör man också vara försiktig. Det finns alltid en risk att glykol läcker in och det kan med tiden orsaka en kortslutning och ytterst en brand, lång tid efter att olyckan i sig inträffade.

Faran ligger i vad som kallas för en termisk rusning.

– En termisk rusning innebär att det uppstår en kraftig värmeutveckling i batteriet, förklarar Lars Fast. Det kan orsakas av ett yttre våld, kortslutning, en inre kortslutning i själva batteriet. Då sker en lavinartad värmeutveckling som sprids från en battericell till nästa. Samtidigt uppstår en ökad mängd gasbildning, vilket kan göra att hela brandförloppet blir dramatiskt.


Hur reagerar batteripaketen egentligen vid laddning i sträng kyla eller extrem värme? Och vad händer när samma paket går från kyla till värme eller vice versa? Det tar RISE reda på i detta särskilda klimatskåp, som har en förmåga att snabbt gå från -40 grader Celsius till +45 grader Celsius. Till skåpet går både strömförsörjning för batteripaketen, kylvätska och möjlighet för flera olika laddningscyklar, allt för att verkligen kunna pressa batteripaketen till sin yttersta gräns och även förbi denna punkt.

Elfordonets litiumjonpakets välmående styrs av tre huvudsakliga faktorer: Spänning, ström och temperatur. Alla delar måste verka inom ett visst arbetsområde och det är något som elfordonen själva reglerar för att säkerställa att gränserna aldrig passeras. Men uppstår ett kraftigt yttre våld finns det förstås inte någon garanti för att bilens tekniska säkerhetssystem längre fungerar. Om batteriet sedan skadats kan situationen förvärras ytterligare.

– Batteripaketet som sådant behöver inte uppvisa några yttre skador. Paketet kan vara i form av en förslutning och då ser du inte cellerna. Det kan vara en anslutning som fått en mekanisk skada och då finns ett incitament till att något kan riskera att hända, säger Max Rosengren. Det kan också uppstå ett läckage på en kylkrets. Kommer det upp glykol till cellerna så finns risken för kortslutning.

MÖJLIGT MED KORTSLUTNINGSTEST

I laboratoriemiljö är det möjligt att göra ett kortslutningstest, för att säkerställa att det inte uppstår en termisk rusning.

– Men även om det uppstår en termisk rusning i en cell så ska konsekvenserna för omgivningen inte behöva bli farliga om branden inte sprider sig vidare, säger Lars Fast.

Så här långt har vi enbart fokuserat på dagens befintliga litiumjonbatteriteknik. I horisontlinjen finns också de så kallade solid state-batterierna, där vätskeformad elektrolyt ersatts med fast keram eller polymer.

Solid State-batterier är ännu inte kommersiell verklighet, men flera biltillverkare har klargjort att de ser batteritypen som framtidens batteri för fordonsindustrin. Lars Fast, som arbetat med batteriteknik och batterisystem sedan 2010, menar att tekniken är en vattendelare bland världens forskare. Själv är han mer tveksam till tekniken.

– Det är svårt att få till en bra kontaktyta mellan fast elektrolyt, menar han. I ett konventionellt litiumjonbatteri har du en porös elektrod, så att elektrolyten kan tränga in där och du får hela tiden en stor aktiv kontaktyta. Jag har svårt att se att man uppfyller detta med en fast kontaktyta.

“UTVECKLINGEN GÅR FRAMÅT”

Även Max Rosengren är tveksam till Solid State-tekniken:

– Vi är inte där idag, säger han. Men det är ett faktum att utvecklingen går framåt och man hittar lösningar med nya material och kemi. Till slut har man en kombination som fungerar. Men man ska komma ihåg att Solid State-batterier finns i olika utgåvor.


Lars Fast (bilden), seniorforskare för batterier, batterisystem och elsystem, är tveksam till Solid State-tekniken. Liksom kollegan Max Rosengren.

När det gäller litiumjonbatterier ser han en tydlig trend, som inte bara är av godo:

– Just nu fokuserar branschen på att ersätta kobolt med nickel. Det är ämnen som kan propagera lättare vilket för med sig att ett brandförlopp kan bli kraftigt om en brand i batteriet trots allt skulle uppstå. Nu låter det förstås negativt, men det är den teknik jag jobbar med. Det finns ännu små saker att hantera och är en inte helt okontroversiell fråga att prata om.

I framtidskikaren finns också natriumjonbatterier, ett alternativ som Max Rosengren medger är intressant att kika på, men kanske inte primärt för mobila applikationer, som fordon.

– Du får inte samma energidensitet som i dagens litiumjonbatterier, menar han. Jag tror personligen att litiumjontekniken kommer att ha en ledande ställning även i framtiden. 

BRANSCHSTANDARD SAKNAS

En branschstandard för batteripaket med egna sensorer saknas idag, men tanken som sådan är inte dum anser både Max och Lars.

– Tänk om man fått fram en standard som kräver ett externt verktyg för att kunna läsa ut statusen på ett litiumjonbatteripaket, där man får tillbaka utförlig information om batteriets kondition. Då hade det varit enklare att hantera batterier och där saknar vi något idag känner jag, säger Max.

– Jag delar den uppfattningen, fortsätter Lars. Fordon har krocksensorer. Kanske behövs särskilda sensorer i själva batterimodulen som indikerar exakt vart våldet mot batteripaketet uppstått. En krocksensor på bilen säger ingenting om det krockvåld som batteripaketet har utsatts för.

“Ett skadat elfordon kan skapa scenarier som inte alltid är solklara att förutse”

Fordonsverkstadsbranschen har idag en utförlig branschstandard för hantering av högvoltsfordon och batteripaket. En bra åtgärd, men Max och Lars påminner om att oväntade situationer alltid kan uppstå.

– Ett skadat elfordon kan skapa scenarier som inte alltid är solklara att förutse. En brand behöver inte uppstå av en singel orsak, utan kan bero på flera av varandra sammankopplade faktorer som tillsammans skapar ett problem.


Bredvid forskningsanläggningen ligger det särskilda reningsverket, som har till uppgift att ta hand om, samt rena, alla skadliga rester i rök och vatten. Röken passerar munstycken som spolar vatten och allt passerar därefter ett särskilt elektrostatiskt filter som attraherar partiklar och sotbildningar. Vattnet, i sin tur, passerar särskilda reningsverk. Hit är testanläggningens samtliga testbäddar anslutna, så att alla tester kan genomföras utan någon yttre miljöpåverkan.

Det nya forskningscentret i Borås kommer här fylla en viktig lucka. Tack vare flera olika testbäddar kan forskarna vid RISE både stresstesta och passera säkerhetsgränsen för litiumjonbatteripaket för högvoltsfordon, allt under kontrollerade, säkra och återupprepande former.

– Här klarar vi att hantera all form av säkerhetskritisk provning, sammanfattar Max Rosengren. Vi kan utsätta grejerna för högre spänningar, kraftfulla temperaturförändringar, större vibrationer och även utföra olika typer av brandförlopp,  där batteripaketet utsätts direkt eller indirekt för brand.

Allt inomhus, i noggrant säkerhetsanpassade lokaler. Tack vare det klarar forskningscentret också att analysera, ta vara på samt rena både rökutveckling och släckvatten. Släckvatten som i verkligheten annars riskerar att gå ned i grundvattnet.

FORSKNINGSCENTRET VIKTIGT KOMPLEMENT

Det nya forskningscentret i Borås blir också ett viktigt komplement till övriga forskningscenter som fokuserar på utveckling av framtidens batteriteknik samt batteriers livslängd.

– RISE insåg att det saknades ett forskningscenter för abuse och förstörande prover. Nu har vi även det komplementet och tillsammans med övriga forskningscenters bildar det en helhet, menar forskningscentrets platschef Max Rosengren.

Vi slutar vårt möte ungefär där vi började.

– Bilden av att elbilar brinner är överdriven, menar Max. De klarar en brand bättre än ett bränslefordon, men det blir lite andra konsekvenser. Hade normen idag varit elbilar och förbränningsmotorer istället varit på stark uppgång så hade vi suttit och diskuterat riskerna med förbränningsmotorer. Tror man att bränslefordon är safe och elfordon är farliga så lever man i en villafarelse. Så är det verkligen inte. 

SKRIVEN AV
Fredrik Lund