Är elfordon en brandrisk?

Under de senaste två månaderna har tre Tesla Motors Model S elbilar fattat eld efter att deras litiumjonbatterier skadats. Förra veckan sa National Highway Traffic Safety Administration att de skulle undersöka om Teslas Model S behöver modifieras för att förhindra ytterligare bränder.

Brinna ut: Framsidan av en Tesla Model S brändes i lågor efter att dess batteri skadades.

I två fall körde bilarna över stora metallföremål i motorvägshastighet; den tredje bilen körde i en betongvägg. Ingen skadades: ett varningssystem gjorde att förarna kunde dra bilen och komma ut innan rök började komma från batteripaketet, och batteripaketets design bromsade brandens spridning, som aldrig nådde in i passagerarutrymmena . Tesla har sagt att det kommer att täcka bränder i sin garanti, så kostnaden kommer inte att kännas av ägarna. Och Tesla-grundaren Elon Musk hävdar att bränderna fortfarande är mycket sällsynta.

Ändå har incidenterna uppmärksammat säkerheten för batterierna som används i elfordon (se Tidiga data tyder på att kollisionsorsakade bränder är vanligare i Tesla Model S än konventionella bilar). De är också bara de senaste exemplen på litiumjonbatteribränder i elfordon – vi har sett bränder med Chevy Volt och Fisker Karma plug-in fordon. Boeings 787 Dreamliner grundades på grund av problem med sina nya litiumjonbatterier.

Det finns inneboende risker när du lagrar tillräckligt med energi för att driva en tvåtonsbil i 75 miles i timmen hundratals miles. När allt kommer omkring fattas tusentals bensindrivna bilar i brand vid kollisioner varje år. I princip kan dessa risker hanteras genom strukturell design och kylning. Men kan själva litiumjonbattericellerna göras säkrare?

Batteripaket för elfordon består av hundratals till tusentals battericeller, som var och en innehåller en brandfarlig flytande elektrolyt. Att hantera riskerna med litiumjonbatteribränder handlar om två saker: att förhindra att elektrolyten tar eld och att förhindra att en brand sprider sig om det händer.

Men litiumjonbattericeller själva kan ibland generera tillräckligt med värme för att antända elektrolyten i en process som kallas termisk runaway. Kortslutningar mellan de två elektroderna i en battericell kan till exempel värma upp elektroderna. Om dessa elektroder blir för varma kan värmen utlösa kemiska reaktioner som snabbt genererar mer värme tills elektrolyterna brinner i lågor. Detta verkar vara vad som hände i Tesla-bränderna, när skador på batteripaketen orsakade kortslutningar som ledde till termisk flykt.

Kortslutningar kan vara resultatet av tillverkningsfel, men batteritillverkarna har blivit mycket duktiga på att förhindra dessa. När batterier används som avsett, finns det bara en brand för varje 100 miljoner litiumjonbattericeller där ute, säger Jeff Dahn , professor i fysik och kemi vid Dalhousie University. Tesla skyddar också mot termiska skenande händelser med ett omfattande vätskekylningssystem designat för att kyla cellerna så snabbt att om en cell tar eld, kommer dess grannar inte att göra det.

Men om flera celler är skadade kanske kylsystemet inte räcker till. Om Tesla-paketet missbrukas allvarligt av ett stort metallföremål som tränger igenom packet, kommer det förmodligen att brinna i de flesta fall, säger Dahn.

Tesla skyddar batteripaketet ytterligare med en kvartstums tjock platta av härdat aluminium. I många fall verkar detta fungera. Model S fick högsta säkerhetsbetyg från NHTSA efter krocktester. Men skyddet visade sig inte vara tillräckligt vid bränderna.

Tesla byggde också en brandvägg mellan packen och kupén. Den brandväggen är utformad så att även om packningen går i termisk flykt så tränger den inte in i passagerarutrymmet, säger Musk.

Sedan olyckorna har Tesla skickat ut en mjukvaruuppdatering som ändrar inställningarna på Model S-upphängningen så att batteripaketet är högre upp från marken vid motorvägshastigheter, vilket gör det mindre sannolikt att träffa den typ av metallbitar som orsakade två av bränder.

Utöver att göra batteripaket säkrare, är det också möjligt att göra själva cellerna säkrare genom att byta till elektrodmaterial som lagrar mindre energi men som tål högre temperaturer innan termisk flykt börjar. Vissa andra biltillverkare har gjort detta, men de resulterande batteripaketen kostar mer. Det är inte klart att Tesla har valt elektrodmaterial för att förbättra säkerheten för enskilda celler.

Musk säger att det skulle vara möjligt att öka tjockleken på aluminiumplätering som skyddar batteripaketet. Men det skulle lägga till avsevärd vikt som skulle skada bilens prestanda och minska dess räckvidd på en laddning. Han säger att han inte tror att det kommer att behövas, eftersom de nuvarande säkerhetsåtgärderna har skyddat förarna, och han räknar med att det inte kommer att bli många bränder.

I slutändan kan det till och med vara möjligt att ersätta den brandfarliga elektrolyten med en icke brandfarlig, men sådana batterier har visat sig vara svåra att utveckla (se Solid-State Batteries, Building Cars Out of Batteries Isn't as Crazy as It Sounds, och A Trick for Att göra batterier säkrare kan också göra elbilar överkomliga).

Dölj