ایمنی ذاتی شیمی باتری‌های LFP برای کاربردهای تجاری

ساختار بلوری اولیوئین: چگونه این ساختار از آزادسازی اکسیژن و روند حرارتی ناپایدار جلوگیری می‌کند

در قلب دلیل ایمنی بالای باتری‌های LFP، ساختار بلورین اولیوینی آن‌ها با فرمول شیمیایی LiFePO4 قرار دارد. این ساختار چه ویژگی خاصی دارد؟ خب، شبکه فسفات آهن اتم‌های اکسیژن را بسیار محکم نگه می‌دارد. آن‌قدر محکم که حتی در دماهایی بالاتر از ۵۰۰ درجه سلسیوس نیز مشاهده نمی‌شود که اکسیژن به‌طور قابل توجهی آزاد شود. این را با کاتد‌های اکسید لایه‌ای موجود در باتری‌های مبتنی بر نیکل مانند NMC یا NCA مقایسه کنید و موضوع جالب‌تر می‌شود. آن سایر ساختارها تمایل دارند تحت تأثیر استرس ناشی از شارژ بیش‌ازحد، آسیب فیزیکی یا حتی قرار گرفتن در معرض گرمای شدید، از هم پاشیده شوند. حالا مهم‌ترین نکته از نظر ایمنی این است: آزاد شدن اکسیژن، واکنش زنجیره‌ای حرارتی (thermal runaway) را تحریک می‌کند؛ واکنشی خطرناک که می‌تواند منجر به آتش‌سوزی شود. از آنجا که باتری‌های LFP به‌راحتی اکسیژن خود را آزاد نمی‌کنند، عملاً یکی از اصلی‌ترین راه‌های شروع آتش‌سوزی را قطع می‌کنند. به‌همین دلیل این باتری‌ها در مکان‌هایی که ایمنی از اهمیت حیاتی برخوردار است، عملکرد بسیار عالی دارند؛ مثلاً در ساختمان‌های متراکم شهری، مراکز داده‌ای عظیم که بدون وقفه کار می‌کنند یا کارخانه‌هایی که هرگونه خطر آتش‌سوزی برای انسان‌ها و تجهیزات گران‌قیمت، کاملاً غیرقابل قبول است.

معیار پایداری حرارتی: LFP در مقابل NMC/NCA — دمای شروع و تولید گرمای واکنش‌گرما

پایداری حرارتی فناوری LFP نسبت به هر دو گزینهٔ NMC و NCA برجسته‌تر است، که این امر در آزمون‌های استاندارد سوءاستفاده مکرراً تأیید شده است. اکثر سلول‌های باتری NMC و NCA حدود دمای ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد وارد فرآیند فرار حرارتی می‌شوند، اما مواد LFP مدت طولانی‌تری پایدار باقی می‌مانند و تا دمای حدود ۲۷۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد مقاومت می‌کنند. این بدان معناست که تفاوت حاشیه ایمنی عملیاتی بین این فناوری‌ها حدود ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد است. و نکته مهم دیگر این است که حتی اگر در یک سلول LFP خرابی رخ دهد، انرژی آزادشده در طول رویدادهای شکست نسبت به سایر انواع باتری‌ها بسیار کمتر است؛ بنابراین شکست‌ها در کاربردهای واقعی عموماً کمتر فاجعه‌بار هستند.

این ترکیب — تأخیر در شروع و تولید حرارت کمتر (تقریباً نصف ترکیبات مبتنی بر نیکل) — به سیستم‌های محافظتی زمان بیشتری برای واکنش داده و احتمال انتشار آتش در نصب‌های تجاری ذخیره‌سازی باتری را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

مهندسی ایمنی در سطح سیستم برای ذخیره‌سازی تجاری باتری‌های LFP

اگرچه پایداری ذاتی LFP پایه‌ای اساسی است، اما کاربردهای تجاری در دنیای واقعی نیازمند مهندسی قوی در سطح سیستم برای مدیریت خطرات باقی‌مانده — از جمله نقص‌های الکتریکی، شرایط حدی دمای محیط و تنش‌های مکانیکی — هستند. تولیدکنندگان پیشرو سیستم‌های کنترل حرارتی مورد تأیید، حفاظت ساختاری و طراحی پوشش‌های انطباق‌یافته با مقررات را ادغام می‌کنند تا انتظارات پایه‌ای ایمنی را فراتر ببرند.

مدیریت حرارتی مورد تأیید UL 9540A: طراحی غیرفعال، خنک‌کنندگی فعال و خاموش‌کردن در سطح سلول

مدیریت حرارتی مورد تأیید UL 9540A از سه لایه مکمل تشکیل شده است:

• طراحی غیرفعال با استفاده از مواد تغییر فاز (PCM) برای جذب نوسانات گرمایی لحظه‌ای بدون نیاز به ورودی انرژی الکتریکی؛
• سرمایش فعال از طریق سیستم‌های مایع یا هوا با اجبار هوایی، که دمای بهینه سلول‌ها را در محدوده ۱۵ تا ۳۵ درجه سانتی‌گراد در شرایط مختلف بار و دمای محیط حفظ می‌کنند؛
• خاموش‌سازی در سطح سلول که به‌سرعت رویدادهای گرمایی موضعی را خاموش می‌کند، پیش از آنکه گسترش یابند.
  در مجموع، این راهبردها تحت شرایط سوءاستفاده شدید—از جمله نفوذ میخ و گرمایش خارجی—اعتبارسنجی شده‌اند تا خرابی‌ها را درون سلول‌های جداگانه محدود کنند و از گسترش زنجیره‌ای واکنش فرار حرارتی در ماژول‌ها جلوگیری نمایند.

راهبردهای پوشش‌دهنده مطابق با استاندارد NFPA 855: تهویه، جداسازی و احتباس آتش برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری در بخش‌های تجاری و صنعتی (C&I BESS)

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری در بخش‌های تجاری و صنعتی (C&I BESS) باید مطابق با استاندارد NFPA 855 عمل کنند که الزام می‌کند پوشش‌دهنده‌های مهندسی‌شده‌ای طراحی شوند تا خطرات تشدید را کاهش دهند. ویژگی‌های کلیدی شامل:

• پنل‌های تهویه‌کننده انفجار که انتشار گازهای خروجی را به‌صورت ایمن از مسیر افراد و تجهیزات مجاور هدایت می‌کنند;
• جداسازی مقاوم در برابر آتش — ستون‌های باتری هر ۲۰ کیلووات‌ساعت یک‌بار عزل می‌شوند تا گسترش آتش محدود شود؛
• موانع حرارتی سرامیکی که انتقال گرمای هدایتی به سازه‌های اطراف را برای مدت بیش از دو ساعت به تأخیر می‌اندازند.
  داده‌های عملکردی از بیش از ۱۲٬۰۰۰ نصب‌کننده مطابق با استاندارد، کاهش ۹۸ درصدی در حوادث مرتبط با آتش را نسبت به پیکربندی‌های غیرمطابق نشان می‌دهند و ارزش اقدامات فیزیکی امنیتی همسو با ضوابط را تأیید می‌کنند.

پروتکل‌های امنیت عملیاتی منحصر به فرد برای ذخیره‌سازی تجاری باتری‌های LFP

حفاظت چندلایه: کنترل جریان اضافی، نظارت بر عایق‌بندی و مقاومت مکانیکی توسط سیستم مدیریت باتری (BMS)

ذخیره‌سازی تجاری باتری‌های LFP متکی به سه اقدام امنیتی عملیاتی متقابل است — هر کدام به‌طور مستقل اعتبارسنجی شده و به‌صورت جمعی از طریق یک سیستم پیشرفته مدیریت باتری (BMS) هماهنگ می‌شوند:

• نظارت بر جریان اضافی و ولتاژ : تشخیص بلادرنگ ناهنجاری‌ها باعث قطع فوری مدار می‌شود و از بروز بار حرارتی ناشی از اتصال کوتاه جلوگیری می‌کند;
• نظارت بر مقاومت عایلی تشخیص نشت‌های زمینی تا حد ۰٫۵ میلی‌آمپر — که برای محیط‌های صنعتی مرطوب، پرباد و یا غنی از نمک حیاتی است، جایی که مسیرهای نشت رایج هستند؛
• استحکام مکانیکی نگهدارنده‌های جذب‌کننده ارتعاش، پوسته‌های مقاوم در برابر فشار و تقویت‌کننده‌های لرزه‌ای، تمامیت ساختاری را در طول حمل‌ونقل، نصب و عملیات بلندمدت حفظ می‌کنند.
  این پروتکل‌ها الزامات استاندارد UL 1973 را برای ذخیره‌سازی انرژی ثابت برآورده می‌کنند و به‌صورت مجموعه‌ای، نرخ پیشگیری از خرابی ۹۹٫۹۹٪ را که در پیاده‌سازی‌های تجاری به‌طور میدانی تأیید شده است، دستاورد نموده‌اند — و بدین ترتیب هم ایمنی و هم ادامه عملیات را تضمین می‌کنند.

عملکرد ایمنی اثبات‌شده در محل برای سیستم‌های ذخیره‌سازی باتری LFP در پیاده‌سازی‌های تجاری واقعی

سوابق قابلیت اطمینان و ایمنی ذخیره‌سازی باتری‌های LFP به‌طور مداوم در تمام انواع محیط‌های تجاری—چه در زیراستان‌های عظیم شبکه برق و چه در برج‌های دورافتاده مخابراتی در میانهٔ هیچ‌جا—در حال تقویت شدن است. هنگامی که طوفان‌های بزرگ رخ می‌دهند و شبکه‌های برق از کار می‌افتند—مانند طوفان‌های آسمانی یا بلیزارد‌های سخت زمستانی—بیمارستان‌ها و مراکز اورژانسی مجهز به سیستم‌های پشتیبانی LFP، بیش از ۹۶ ساعت متوالی بدون هیچ مشکلی فعال باقی ماندند. هیچ آتش‌سوزی و هیچ مشکلی در زمینه گرم‌شدن بیش از حد رخ نداد. اکثر این نصب‌ها به‌طور منظم تست‌های سخت ایمنی آتش UL 9540A را با موفقیت پشت سر می‌گذارند و تمام الزامات تعیین‌شده توسط NFPA 855 را برآورده می‌کنند. در نگاه کلی‌تر، کل صنعت شاهد این است که نرخ خرابی از سال ۲۰۲۱ تاکنون کمتر از یک بار در هر ۱۰٬۰۰۰ واحد بوده است. شرکت‌های مخابراتی نیز داستان‌های مشابهی ارائه می‌کنند: برج‌های شبکه‌ای آن‌ها در سراسر جهان (منظور ما بیش از ۱۵٬۰۰۰ مکان است) حتی یک مورد تنها از رخداد «فرار حرارتی» را تجربه نکرده‌اند. این سوابق چشمگیر را به عملکرد عالی باتری‌های LFP در دماهای شدید، توانایی تحمل تعداد زیادی چرخه تخلیه-شارژ عمیق و همچنین کارکرد بی‌مشکل حتی در صورت قرار گرفتن طولانی‌مدت در حالت شارژ نسبت می‌دهند. تمام این تجربیات واقعی به‌وضوح نشان می‌دهند که LFP نه‌تنها در مدارک ایمنی ادعای ایمنی دارد، بلکه در شرایط واقعی، پیچیده و غیرقابل پیش‌بینی که ذخیره‌سازی انرژی تجاری هر روز با آن‌ها روبه‌روست، عملکرد بهتری نیز از خود نشان می‌دهد.

سوالات متداول درباره باتری‌های LFP

چرا باتری‌های LFP از نظر ایمنی، ایمن‌تر از باتری‌های NMC یا NCA تلقی می‌شوند؟

باتری‌های LFP دارای ساختار بلوری اولیوین هستند که اتم‌های اکسیژن را به‌صورت محکمی نگه می‌دارد و این امر خطر آزاد شدن اکسیژن و فرار حرارتی را کاهش می‌دهد؛ این دو پدیده از عوامل اصلی ایجاد آتش‌سوزی در سایر انواع باتری‌ها مانند NMC یا NCA هستند.

مزیت پایداری حرارتی باتری‌های LFP چیست؟

باتری‌های LFP می‌توانند تا دمای ۲۷۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند، در حالی که باتری‌های NMC/NCA از دمای ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد شروع به فرار حرارتی می‌کنند. این ویژگی بافر ایمنی قابل‌توجهی فراهم می‌کند.

سیستم مدیریت باتری (BMS) چه نقشی در ایمنی باتری‌های LFP ایفا می‌کند؟

BMS نظارت بلادرنگ بر جریان اضافی و ولتاژ، مقاومت عایقی و تضمین مقاومت مکانیکی را انجام می‌دهد و لایه‌های متعددی از حفاظت را فراهم می‌کند که این لایه‌ها پایداری ذاتی شیمی LFP را تقویت می‌کنند.

چگونه انطباق با استانداردهایی مانند UL 9540A و NFPA 855 تضمین می‌شود؟

سیستم‌های باتری LFP با مدیریت حرارتی مورد تأیید و پوشش‌های مطابق با استانداردهای صنعتی شدید طراحی شده‌اند تا این استانداردهای سخت‌گیرانه صنعتی را برآورده کنند و به‌طور چشمگیری تعداد حادثه‌های مرتبط با آتش‌سوزی در پیاده‌سازی‌های تجاری را کاهش دهند.