5.5 Lithium-ionbatterijen

De vragen in deze module gaan over het gebruik van elektrische apparatuur die gevoed wordt met lithium-ion-accu’s die actief in gebruik zijn. Energiedragers in apparaten die actief in gebruik zijn vallen niet onder de richtlijnen PGS 37-1 en PGS 37-2. De PGS 37-1 richtlijn is van toepassing op een specifieke subset van energieopslagsystemen (EOS’en), de PGS 37-2 richtlijn op de tijdelijke opslag van lithiumhoudende energiedragers (zie ook figuur 4 bij vraag 1). Voor de opslag van grotere hoeveelheden lithium-ion-accu’s wordt verwezen naar deze richtlijnen in de Publicatiereeks Gevaarlijke Stoffen.

Hieronder volgt eerst een inleiding over lithiumbatterijen/accu’s, gevolgd door uitleg over de PGS 37-1 en 37-2.

Lithiumbatterijen/accu’s

Lithiumbatterijen/accu’s (oplaadbare) worden steeds meer gebruikt. Dit vanwege hun eigenschap om grote hoeveelheden energie te kunnen leveren. Voorbeelden van lithiumbatterijen zijn: batterijen in e-bikes en elektrische auto’s, batterijen in mobiele telefoons, tablets en laptops, batterijen in medische apparatuur, en (knoopcel)batterijen in horloges en wearables. Door die grote energie-inhoud kleven er echter enkele risico’s aan dit type batterijen/accu’s.

Twee soorten lithiumbatterijen

Er zijn twee soorten lithiumbatterijen:

Lithium-metaalbatterijen; deze zijn niet oplaadbaar. Bekende niet-oplaadbare lithiumbatterijen zijn gebaseerd op LiFePO₄ en lithiumtitanaat. Een lithium-metaalbatterij mag nooit worden opgeladen, want dan kunnen zij oververhit raken, gaan lekken en zelfs ontploffen. Wat betreft het vervoer van lithium-metaalbatterijen vallen deze in klasse 9 van de ADR-vervoerswetgeving. Batterijen zelf hebben UN-nummer 3090; lithium-metaalbatterijen in toestellen of verpakt bij toestellen hebben UN-nummer 3091.
Lithium-ionbatterijen (ook wel accu’s genoemd). Deze zijn wel oplaadbaar. Bekende Li-ionbatterijen bevatten lithiumcobaltoxide (LiCoO₂) en lithiummangaanoxide (LiMn₂O₄, Li₂MnO₃, of LMO). Lithium-ionbatterijen gebruiken lithiumverbindingen die veel stabieler zijn dan het elementaire lithium dat in lithium-metaalbatterijen wordt gebruikt. Lithium-ionbatterijen zijn er in vele soorten en maten. Zij zijn ontworpen om honderden keren opnieuw te worden opgeladen. Deze techniek heeft snel aan terrein gewonnen sinds de opkomst van mobiele telefoons en wordt ook gebruikt in elektrische auto’s. Lithium-ionbatterijen vallen eveneens in klasse 9 van de ADR-vervoerswetgeving en hebben UN-nummer 3480.

Voor de batterijen wordt een speciaal pictogram gebruikt (zie figuur 1 bij vraag 1).

Werking van een lithium-ionbatterij

Een normale lithium-ionbatterij bestaat uit twee op elkaar gepakte elektroden: een koolstof anode en een lithiummetaaloxide kathode. Hiertussen bevindt zich een ultradun polymeerscheidingslaagje (de separator). Zoals de naam al zegt, moet dat laagje ervoor zorgen dat de positieve en negatieve elektrodes elkaar niet raken. In figuur 2 bij vraag 1 wordt de werking van de lithium-ionbatterij globaal weergegeven.

De negatieve elektrode bestaat uit poreus koolstof. Bij het opladen zullen lithium-ionen zich door het elektrolyt begeven en vasthechten aan de koolstof aan de anodekant. Tijdens het laden worden de poriën van de koolstofelektrode (de anode) negatief geladen en ‘kruipen’ de positief geladen lithium-ionen in deze poriën.

Tijdens het ontladen van de accu gebeurt precies het omgekeerde: de lithium-ionen bewegen dan naar de positieve elektrode (de kathode) van kobaltoxide (CoO₂) of van mangaanoxide en gaan daar een binding aan met het kobaltoxide of mangaanoxide. Tijdens dit proces komen elektronen vrij, die via een elektrisch circuit naar de kathode gaan en voor stroom zorgen. Zo bewegen de lithium-ionen tussen de twee elektrodes heen en weer, steeds als de batterij beurtelings wordt ontladen en weer wordt opgeladen.

Het medium (elektrolyt) tussen de twee elektroden mag in een lithium-ionbatterij geen water bevatten, omdat lithium erg heftig met water kan reageren en er veel warmte kan ontstaan. Als vloeibaar elektrolyt worden daarom lithiumfluorzouten in een organische elektrolyt gebruikt, zoals propyleencarbonaat, ethyleencarbonaat of dimethylcarbonaat.

Gevaren/risico’s

Lithium-ionbatterijen (of accu’s) zijn relatief nieuw, kennen een heel breed gebruik en hebben in korte tijd een zeer grote vlucht genomen. Wat de meeste met elkaar gemeen hebben, is dat zij instabiel kunnen worden bij overladen, diep ontladen, hoge én lage temperaturen (-20 > t > 60 graden Celsius) en slagen of stoten. Dit kan in het ergste geval leiden tot kortsluiting, thermal (thermische) runaway en brand, waarbij zeer giftige pyrolyseproducten vrijkomen waaronder koolmonoxide, waterstoffluoride en lithiumhydroxide, afhankelijk van de samenstelling van het elektrolyt (zie figuur 3 bij vraag 1). Bij het blussen ontstaat corrosief en giftig bluswater waaraan ingezet personeel van de brandweer, andere hulpverleners, omstanders en bewoners blootgesteld kunnen worden.

Als het isolatielaagje (separator) tussen de polen beschadigd raakt, kan er kortsluiting ontstaan, waardoor de ontvlambare elektrolytoplossing die de ionen transporteert kan ontbranden. Het geeft een hoog brandrisico door de grote hoeveelheid energie die opgeslagen is in de cellen. Het grootste gevaar bij een lithium-ionbatterij is dat een zelfversterkend chemisch proces kan ontstaan, waarbij het lithium heftig gaat reageren met de andere metalen in de batterij, een thermische runaway-reactie genoemd. De vrijkomende gassen kunnen ontbranden en zelfs exploderen. Hierdoor kunnen grote hoeveelheden lithium-ionbatterijen, zelfs goed verpakt, een aanzienlijk brandrisico vormen.

Zo’n thermische runaway-reactie wordt als het meest waarschijnlijke falen van een lithium-ionbatterij beschouwd. Oorzaken kunnen ook zijn beschadigingen (mechanische impact), bijvoorbeeld wanneer een zwaar voorwerp op een apparaat valt waarin een lithium-ionbatterij zit. Een val kan echter eveneens rechtstreeks de behuizing van een batterij breken. De elektrolyt kan hierdoor uit de accu stromen en de separator kan eveneens kapotgaan, waarna kortsluiting onvermijdelijk is.

Mechanische beschadiging, elektrische storingen/kortsluiting of verwarming kan ook tot lekkage van elektrolyten leiden en zo een brand of een explosie veroorzaken. Kleine ruimten met een hoge opslagdichtheid verhogen de kans op branduitbreiding en kunnen leiden tot een kettingreactie. Verbrandingsresten kunnen heftig reageren en zeer giftig zijn; afhankelijk van de elektrolyt is zelfs de vorming van zeer gevaarlijk zuur mogelijk.

Omdat lithium in combinatie met water een zeer explosief gas produceert, kunnen conventionele blussystemen in dit verband vaak niet worden gebruikt.

Wanneer de warmte in de batterij toeneemt, zal eveneens de druk stijgen. Als deze druk hoog genoeg is, kan de metalen behuizing van de accu kapotgaan en zal de elektrolyt in contact komen met andere componenten van bijvoorbeeld de smartphone. Ook kan een thermische runaway optreden door een fabricage/montagefout, overladen, diep ontladen of veroudering.

PGS 37-1

De PGS 37-1 richtlijn is van toepassing op een specifieke subset van energieopslagsystemen (EOS’en), namelijk EOS’en bestaande uit lithiumhoudende oplaadbare energiedragers die (in groepen) elektrisch met elkaar zijn verbonden met een totaal opgestelde capaciteit van meer dan 20 kWh. Daarnaast bestaat het EOS uit randapparatuur, zoals ventilatie en technische beveiliging. Een batterijmanagementsysteem (BMS) zorgt voor de goede en veilige werking van het EOS en maakt daar onlosmakelijk deel van uit. Deze PGS is van toepassing op het EOS, inclusief randapparatuur en het BMS vanaf het moment dat het EOS in gebruik wordt genomen. Zodra het EOS vermogen kan gaan opnemen of afgeven, wordt dit beschouwd als in gebruik genomen. EOS'en die in opbouw zijn, vallen noch onder PGS 37-1 noch onder PGS 37-2.

De PGS 37-1 richtlijn is van toepassing op zowel nieuwe, gebruikte als afgedankte EOS’en (afvalstadium) tot het moment dat het EOS buiten werking wordt gesteld. Deze EOS’en zijn bedoeld om stationair te functioneren, maar zijn mogelijk ook verplaatsbaar (bijvoorbeeld EOS’en die worden ingezet voor de verhuur). Deze PGS is tevens van toepassing op het EOS-deel van systemen waarin een EOS verwerkt is, zoals hybride aggregaten. Deze EOS'en kunnen zowel inpandig als uitpandig (bijvoorbeeld in een container), op een dak of aan de buitengevel zijn geplaatst.

De PGS 37-1 richtlijn is niet van toepassing op:

Opslag van lithiumhoudende energiedragers. Hierop is PGS 37-2 van toepassing.
Systemen die gebruikt worden door particulieren (zoals thuisbatterijen en gebruik in plezier-, vaar- of voertuigen). Voor een EOS met een energieopslagcapaciteit groter dan 20 kWh wordt aanbevolen de maatregelen uit deze PGS wel toe te passen.
Flowbatterijen, uitgezonderd hybride systemen met lithiumhoudende energiedragers.
Solidstatebatterijen.
Condensatoren.
Maritieme toepassingen waarbij het EOS gebruikt wordt aan boord van een vaartuig zonder permanente ligplaats.
Elektrische motorrijtuigen en machines als onderdeel van een EOS (geïntegreerd in een smart grid). Uit voertuigen gedemonteerde lithiumhoudende energiedragers die in een EOS worden toegepast vallen wel onder deze richtlijn.

PGS 37-2

De PGS 37-2 richtlijn geldt voor ieder bedrijf dat iets doet met lithiumbatterijen en/of accu’s. De maatregelen in PGS 37-2 verschillen per type bedrijf, activiteit en situatie.
Hierbij kan het gaan om:

Nieuwe producten. Hieronder vallen verkopers van (producten met) lithiumbatterijen en accu’s. De eisen gelden voor opslag in loodsen en magazijnen, maar ook in showrooms voor bijvoorbeeld elektrische auto’s en fietsen.
In gebruik zijnde producten. Hieronder vallen bijvoorbeeld bouwbedrijven die werken met lithiumaccu’s en die deze tijdelijk opslaan wanneer ze buiten gebruik zijn.
Defecte end-of-life batterijen en accu’s. Hieronder vallen inzamel-, sorteer- en recyclebedrijven.

Ondergrens voor het voldoen aan de eisen van PGS 37-2

De PGS 37-2 richtlijn is van toepassing vanaf een bepaalde ondergrens. Wat deze ondergrens is hangt af van de categorie waarin de energiedrager valt:

Bij energiedragers die vallen onder de bijzondere bepaling 188 van het ADR of sectie 2 van het ICAO gelden de eisen van PGS 37-2 vanaf 1000 kg.
Bij energiedragers die niet vallen onder bovengenoemde bepaling of sectie óf die worden opgeslagen voor recycling of eindverwerking gelden de eisen van PGS 37-2 vanaf 333 kg.
Wanneer sprake is van beschadiging van de energiedrager moet al bij de opslag van één product aan de eisen van PGS 37-2 worden voldaan.

NB: Ook voor de opslag van batterijen en accu’s die onder deze ondergrens vallen geldt dat dit veilig moet gebeuren.

De PGS 37-2 richtlijn is niet van toepassing op:

Energieopslagsystemen (EOS'en) met lithiumhoudende energiedragers. Hiervoor is de PGS 37-1 van toepassing. NB: De opslag van EOS'en valt wel onder het toepassingsgebied van deze PGS 37-2.
De tijdelijke opslag van verpakte lithiumhoudende energiedragers die, voorafgaand aan of aansluitend op transport, buiten een reguliere opslagvoorziening verblijven.
Werkvoorraad. Wanneer een werkvoorraad uit meer dan één verpakkingseenheid bestaat, dan mag er buiten een opslagvoorziening een werkvoorraad staan voor de betreffende werkdag plus één reserve-verpakkingseenheid.
Onvrijwillig verkregen lithiumhoudende energiedragers in de afvalketen door gemeentewerven (verborgen in huisvuil), recycling- en afvalsorteerbedrijven (verborgen in bedrijfs- of sloopafval). NB: Deze richtlijn geldt wel voor lithiumhoudende energiedragers die na sortering van een afvalstroom beschikbaar zijn gekomen.
Voertuigen, werktuigen en tweewielers waarin lithiumhoudende energiedragers zijn verwerkt en waaraan gewerkt wordt, bijvoorbeeld voor reparatie of modificatie, of voor dat doel zijn aangeboden.
Stallen of parkeren van voertuigen, werktuigen en tweewielers waarin lithiumhoudende energiedragers zijn verwerkt ten behoeve van de actieve verhuur.
Het opladen van (grote hoeveelheden) energiedragers van voertuigen, werktuigen en tweewielers (bijvoorbeeld elektrische fietsen of scooters bij maaltijdbezorgers of deelscooterbedrijven) die actief in gebruik zijn, wanneer de energiedrager opgeladen wordt in het apparaat. Gezien het risico van een thermal runaway wordt wel aanbevolen om de maatregelen van deze PGS-richtlijn ook op deze activiteiten toe te passen.