Så blir batterier dåliga: Förstå batteriers felorsaker

Batterier har blivit väsentliga komponenter i vår infrastruktur. De ger avbrottsfri kraft till datacenter och underlättar integreringen av förnybar energi i våra kraftnät. Nu när vi förlitar oss på batterier mer än någonsin är det inte bara en akademisk övning att förstå batterifel – det är väsentlig kunskap för var och en som ansvarar för batterisystem.

De ekonomiska konsekvenserna av batterifel är betydande. När fel uppstår i ett batterisystem står organisationer inte bara inför direkta ersättningskostnader utan även indirekta kostnader i samband med driftstopp i system, eventuella skador på ansluten utrustning och, i vissa fall, förlust av kritiska tjänster. En timmes driftstopp i ett datacenter kan kosta så mycket som 1 miljon dollar.

Låt oss nu, med allt det här i åtanke, utforska hur batterier kan sluta fungera.

Felorsaker i blysyrabatterier

Blysyrabatterier är en av de vanligaste typerna av stationära batterier. Även om de är tillförlitliga och väl förstådda kan de gå sönder på flera sätt. 

Korrosion av det positiva gallret

Korrosion av det positiva gallret är en kemisk process där blylegeringen som bildar batteriets positiva galler gradvis omvandlas till blyoxid. Den här processen påskyndas av höga temperaturer, överladdning och att strömmen slås av och på. Även om viss grad av gallerkorrosion är normalt och faktiskt en del av batteriernas konstruktion kan för stor korrosion avsevärt förkorta batteriets livslängd, vilket leder till:

• fysisk expansion av plattorna
• ökat internt motstånd
• minskad effektkapacitet
• slutligt batterifel

Sulfatering

Vid normal batteriurladdning reagerar de aktiva materialen i ett blysyrabatteri (bly och blydioxid) med svavelsyra och bildar blysulfat. Det här är en naturlig och nödvändig process. Det finns dock en avgörande skillnad mellan det mjuka, normala blysulfat som bildas vid regelbunden urladdning och det problematiska kristallina sulfat som kan utvecklas under vissa förhållanden. Sulfatering kan till stor del förebyggas och är normalt reversibel, men den kan bli permanent om batterierna förblir urladdade, när laddningen är otillräcklig eller när regelbundet underhåll försummas. Det resulterar i:

• reducerad kapacitet 
• ökat internt motstånd
• fysiska skador på plattorna

Interna kortslutningar

Interna kortslutningar utvecklas ofta gradvis och kan vara svåra att upptäcka innan betydande skador har uppstått. Till skillnad från externa kortslutningar, som vanligtvis är uppenbara, arbetar interna kortslutningar tyst inuti batteriet och kan potentiellt skapa farliga förhållanden.

Interna kortslutningar i blybatterier kan i allmänhet delas in i två kategorier: hårda kortslutningar och mjuka kortslutningar. Hårda kortslutningar orsakas vanligen av klumpar som orsakats av tillverkningsfel. Mjuka kortslutningar är resultatet av mycket djupa urladdningar där den specifika vikten blir så låg att blyet börjar lösas upp i elektrolyten. Detta bly fastnar i separatorerna, vilket orsakar kortslutningar. Både hårda och mjuka kortslutningar orsakar

• omedelbar kapacitetsförlust
• för stor värmealstring
• potentiell termisk rusning
• brandrisk i allvarliga fall
• utsläpp av farliga gaser

Uttorkning (VRLA-specifik)

Även om ventilreglerade blysyrabatterier (VRLA) utvecklades för att vara underhållsfria möter de en unik utmaning: uttorkning. Till skillnad från deras vätskefyllda motsvarigheter finns det inget sätt att fylla på ett VRLA-batteri när det väl förlorat sin elektrolyt. Det här gör uttorkning till en av deras mest skadliga felorsaker.

VRLA-batterier kan förlora elektrolyt genom överdriven värme, överladdning, dålig ventilation eller felaktig laddningsspänning. Förlust av elektrolyt leder till

• ökad intern impedans
• reducerad kapacitet
• högre arbetstemperatur
• minskad effektivitet
• förlust av kontakt mellan platta och elektrolyt
• påskyndat åldrande
• potentiell termisk rusning
• förkortad backuptid
• otillförlitliga prestanda
• ökade driftskostnader
• förtida fel

Termisk rusning (VRLA-specifik)

Termisk rusning är en dramatisk och farlig felorsak som kan inträffa med alla batterikemikalier. I blysyrabatterier är det vanligare i VRLA- än VLA-typer.  Till skillnad från andra felorsaker som utvecklas gradvis kan termisk rusning eskalera snabbt, vilket kan leda till katastrofala fel inom några timmar. Termisk rusning är en självförstärkande process där värme och ström förstärker varandra i en farlig spiral där batteriet värms upp och låter mer ström passera, vilket genererar ännu mer värme som gör att batteriet låter ännu mer ström passera, och cykeln fortsätter tills ett fel inträffar.

Tidig upptäckt, baserat på dessa kriterier, är avgörande för att förhindra katastrofala fel

• hög temperatur
• lägre resistans 
• ökad ström 
• gasgenerering som överskrider rekombinationstakten
• tryckökning som framtvingar ventilation
• elektrolytförlust. 

Felorsaker i litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier har revolutionerat energilagringen, men de har en egen unik uppsättning felorsaker.

Uppbyggnad av SEI-lager

Det solida elektrolytgränssnittslagret (SEI) är avgörande för ett litiumjonbatteris funktion, men under batteriets livslängd ökar det med tiden i tjocklek i en takt som påverkas av flera faktorer. Ökningen av SEI-lagret har en direkt påverkar på batteriets impedans

• progressiv ökning av impedansen
• högre spänningsfall under belastning
• reducerad maximal strömkapacitet
• ökad uppvärmning under drift

Litiumplätering

Litiumplätering är en av de allvarligaste felorsakerna i litiumjonbatterier, vilket kan leda till katastrofala fel. Till skillnad från mekanismer för gradvis nedbrytning kan litiumplätering skapa omedelbara säkerhetsrisker och noggrann hantering krävs för att förhindra det. När batteriet fungerar normalt tränger litiumjoner in i anodens grafitstruktur under laddning. Under vissa förhållanden ackumuleras dock joner på anodytan och metalliska litiumavlagringar bildas. Slutligen växer dendriter och strukturen blir instabil.

Litiumplätering skapar allvarliga säkerhetsproblem

• interna kortslutningar
• potentiell termisk rusning
• risk för cellbristning
• kapacitetsförsämring
• ökat internt motstånd
• påskyndat åldrande
• cellobalans
• risk för brand

Icke-enhetligt åldrande

Många av batteriets åldringsprocesser anses vanligtvis vara enhetliga över hela cellen, men verkligheten är ofta mer komplicerad. Icke-enhetligt åldrande inträffar när olika delar av cellen åldras i olika takt, vilket skapar lokala svagheter som kan ha en betydande inverkan på prestanda och säkerhet. Det kan leda till

• minskad total kapacitet
• ökat internt motstånd
• ojämn strömfördelning
• variabel spänningsrespons.

BMS-fel

Batterihanteringssystemet (BMS) är den kritiska intelligens som gör att litiumjonbatterier fungerar säkert och effektivt. När BMS inte fungerar kan det äventyra både batteriets prestanda och säkerhet, så det är viktigt att förstå dessa fel. BMS-fel kan visa sig på olika sätt, t.ex. problem med hårdvara, programvara eller kalibrering.

BMS-fel kan få allvarliga konsekvenser för säkerheten

• risk för överladdning
• risk för för djup urladdning
• temperaturregleringsfel
• strömbegränsningsfel
• brist på kritiska varningar
• fördröjd respons vid driftstopp
• misslyckad nödfrånkoppling
• otillräcklig värmehantering
• cellobalans
• termisk rusning 
• för stor påfrestning på celler
• påskyndat åldrande

Problem med batteristrängar

Förutom fel i enskilda batterier kan batteristrängar vara känsliga för en annan viktig felorsak: degradering av anslutningarna mellan cellerna om de inte underhålls på rätt sätt. Den här degraderingen beror på flera faktorer, inklusive korrosion, vibrationer och upprepade temperaturförändringar. När anslutningarna degraderas ökar dess motstånd. Det här kanske inte märks när bara en liten flytström går genom strängen, men när den måste leverera mer ström kan det ökade motståndet i anslutningarna leda till för hög uppvärmning, vilket i vissa fall skapar en brandrisk. 

Anslutningarna mellan celler är ofta den svagaste länken i en batteristräng och fel i dem kan få allvarliga konsekvenser

• hög resistans
• ökad värme
• reducerad kapacitet
• spänningsobalanser.

Testning och förebyggande: Det bästa skyddet mot batterifel

Det är mycket viktigt att förstå felorsaker, men det är ännu viktigare att förebygga fel genom korrekt testning och underhåll. Korrekt underhåll och regelbunden testning med rätt utrustning är inte bara god praxis. Det är väsentligt för att

• säkerställa tillförlitlighet i system
• skydda investeringar
• upprätthålla säkerhet
• uppfylla skyldigheter
• optimera prestanda.

Vi kommer att ta upp metoder för testning och underhåll mer i detalj i ett kommande inlägg.

Slutsats

Som vi har sett kan batterier gå sönder på många olika sätt, från gradvis degradering av positiva galler i blysyrabatterier till den potentiellt farliga litiumpläteringen i litiumjonsystem. Att förstå de här felorsakerna är inte bara en akademisk fråga – det handlar om att skydda viktig infrastruktur, säkerställa verksamhetskontinuitet och upprätthålla säkerheten.

Vissa felorsaker, som sulfatering eller uppbyggnad av SEI-lager, verkar långsamt och stadigt och underminerar gradvis batteriets prestanda. Andra, som termisk rusning eller interna kortslutningar, kan slå till snabbt och dramatiskt. Men alla delar de en viktig egenskap: De ger varningstecken innan de orsakar katastrofala fel.

Därför är det så viktigt med regelbunden testning och underhåll. Kostnaden för att implementera korrekta program för testning och underhåll är minimal jämfört med de potentiella konsekvenserna av batterifel – konsekvenser som kan variera från dyra byten och driftstopp i system till allvarliga säkerhetsincidenter.

I nästa inlägg ska vi utforska hur man upptäcker varningstecknen genom korrekt testning och underhåll. Att känna till hur fel uppstår i batterier är bara det första steget. Att veta hur man förebygger fel är ännu viktigare.