Az LFP akkumulátor-kémia belső biztonsága kereskedelmi alkalmazásokhoz

Olivin kristályszerkezet: Hogyan gátolja meg az oxigénkibocsátást és a hőmérsékleti elszabadulást

Az LFP akkumulátorok kivételes biztonságának kulcsa az olivin kristályszerkezetükben rejlik, amelynek kémiai képlete LiFePO4. Mi teszi ezt a szerkezetet különlegessé? Nos, a vas-foszfát rács rendkívül szorosan köti az oxigénatomokat. Olyan szorosan, hogy még akkor sem tapasztalunk jelentős oxigénkibocsátást, ha a hőmérséklet 500 °C fölé emelkedik. Használjunk összehasonlítást: a nikkelalapú akkumulátorokban – például az NMC vagy az NCA típusú elemekben – használt rétegzett oxidkatódokkal szemben a helyzet érdekesen alakul. Az utóbbi szerkezetek hajlamosak szétesni túltöltés, fizikai sérülés vagy akár extrém hőhatás hatására. A biztonság szempontjából azonban a legfontosabb tényező az, hogy az oxigénkibocsátás táplálja a hőfutást, azaz azt a veszélyes láncreakciót, amely tűz kirobbanásához vezethet. Mivel az LFP akkumulátorok nem engedik könnyen el az oxigént, gyakorlatilag kizárják az egyik fő tűzindítási mechanizmust. Ezért alkalmazzák ezeket az akkumulátorokat olyan helyeken, ahol a biztonság feltétlenül elsődleges, például sűrűn beépített városi épületekben, folyamatosan működő nagy adatközpontokban vagy olyan gyártóüzemekben, ahol bármilyen tűzkockázat teljesen elfogadhatatlan lenne mind az emberek, mind a drága berendezések számára.

Hőállósági összehasonlítás: LFP vs. NMC/NCA – Kezdő hőmérsékletek és exoterm hőfelszabadulás

Az LFP kémiai összetétel hőállósága kiemelkedően jobb, mint az NMC és az NCA változatoké, amit a szabványos túterhelési tesztek ismételten igazoltak. A legtöbb NMC- és NCA-akkumulátorelem körülbelül 150–200 °C-os hőmérsékleten kezd hőfutásba kerülni, míg az LFP anyagok sokkal hosszabb ideig maradnak stabilak, kb. 270–300 °C-ig tartanak ki. Ez azt jelenti, hogy a különböző kémiai összetételek között kb. 100 °C-os biztonsági tartalék-különbség van. És itt egy további fontos megjegyzés: még akkor is, ha valami hibára fordul egy LFP-elemben, a meghibásodási események során lényegesen kevesebb energiát szabadít fel, mint más akkumulátortípusok, így a meghibásodások általában kevésbé katasztrofálisak a gyakorlati alkalmazásokban.

Ez a kombináció – késleltetett kezdődés és alacsonyabb hőtermelés (kb. a nikkelalapú kémiai összetételek felének megfelelő) – több időt biztosít a védőrendszereknek a reagálásra, és drámaian csökkenti a tűz terjedésének valószínűségét kereskedelmi célú akkumulátor-tároló rendszerekben.

Rendszerszintű biztonsági mérnöki megoldások kereskedelmi LFP akkumulátor-tároló rendszerekben

Bár az LFP belső stabilitása alapvető tényező, a gyakorlati kereskedelmi alkalmazásokhoz erős, rendszerszintű mérnöki megoldások szükségesek a maradék kockázatok kezeléséhez – például elektromos hibák, környezeti hőmérséklet-szélsőségek és mechanikai feszültség esetén. A vezető gyártók érvényesített hőkezelési rendszereket, szerkezeti tartályozást és szabályozási előírásoknak megfelelő burkolattervezést integrálnak, hogy meghaladják az alapbiztonsági elvárásokat.

UL 9540A-érvényesített hőkezelés: passzív tervezés, aktív hűtés és cellaszintű oltás

Az UL 9540A-érvényesített hőkezelés három kiegészítő rétegből áll:

• Passzív tervezés , a fázisátalakulási anyagok felhasználásával, amelyek átmeneti hőcsúcsokat képesek elnyelni áramellátás nélkül;
• Aktív hűtés , folyadékos vagy kényszerített levegős rendszerek segítségével, amelyek az optimális cellahőmérsékletet (15–35 °C) fenntartják változó terhelés és környezeti feltételek mellett;
• Cellaszintű lehűtés , amely gyorsan elnyomja a helyi hőmérséklet-emelkedési eseményeket, mielőtt azok továbbterjednének.
  Ezek a stratégiák együttesen ellenőrizhetők extrém túlterhelési körülmények között – például szöghajtás és külső fűtés esetén is –, hogy a hibák egyedi cellákra korlátozódjanak, és megakadályozzák a hőfokozódás láncszerű elterjedését a modulokon belül.

NFPA 855-szabványnak megfelelő burkolati stratégiák: szellőztetés, elkülönítés és tűzvédelem ipari és kereskedelmi akkumulátoros energiatároló rendszerekhez (C&I BESS)

Az ipari és kereskedelmi akkumulátoros energiatároló rendszerek (C&I BESS) meg kell feleljenek az NFPA 855 szabványnak, amely mérnöki szempontból tervezett burkolatok alkalmazását írja elő a kockázatok továbbterjedésének csökkentése érdekében. A kulcsfontosságú jellemzők a következők:

• Robbantásvédett szellőzőpanelok, amelyek biztonságosan irányítják a keletkező gázkibocsátást a személyzet és a szomszédos berendezések távolába;
• Tűzálló rekeszelés – az akkumulátorcsomagokat minden 20 kWh után elkülönítik a tűz terjedésének korlátozása érdekében;
• Kerámia hőszigetelő rétegek, amelyek több mint két órán át lassítják a hővezetéses hőátadást a környező szerkezetek felé.
  Több mint 12 000 megfelelő telepítés mezői teljesítményadatai azt mutatják, hogy a tűz okozta esetek száma 98%-kal csökkent a nem megfelelő konfigurációkhoz képest, ezzel megerősítve a kódoknak megfelelő fizikai védelmi intézkedések értékét.

Kereskedelmi LFP akkumulátor-tárolókra jellemző működésbiztonsági protokollok

Többrétegű védelem: BMS-vezérelt túramerő- és szigetelés-ellenőrzés, valamint mechanikai ellenállás

A kereskedelmi LFP akkumulátor-tárolók egy egymástól függő háromrészes működésbiztonsági rendszerre épülnek – mindegyik önállóan érvényesített, és egy fejlett akkumulátor-kezelő rendszeren (BMS) keresztül koordinálva:

• Túramerő- és feszültség-ellenőrzés : A rendszer valós idejű anomáliadetektálással azonnali áramkör-elválasztást indít el, megakadályozva a rövidzárlat által kiváltott hőterhelést;
• Állványellenállás-felmérés földelési hibákat érzékel akár 0,5 mA-ig – kritikus fontosságú páratartalmas, poros vagy sótartalmú ipari környezetekben, ahol a szivárgási útvonalak gyakoriak;
• Mechanikai stabilitás rezgéselnyelő rögzítések, összenyomásálló burkolatok és földrengésbiztos rögzítőelemek megőrzik a szerkezeti integritást a szállítás, a telepítés és a hosszú távú üzemelés során.
  Ezek a protokollok megfelelnek az UL 1973 szabványnak az álló helyzetű energiatároló rendszerekre vonatkozóan, és együttesen elértek egy mezőben ellenőrzött, 99,99%-os meghibásodás-előzési arányt kereskedelmi üzemelési környezetben – így biztosítva a biztonságot és az üzemszerű folytonosságot.

Mezőben igazolt biztonsági teljesítmény LFP akkumulátoros tárolórendszerek esetében valós kereskedelmi üzemelési környezetben

Az LFP akkumulátoros tárolórendszerek megbízhatósága és biztonsága egyre erősebbé válik mindenféle kereskedelmi környezetben, legyen szó hatalmas villamosenergia-hálózati alállomásokról vagy akár a semmiből kiemelkedő, elhagyatott távközlési tornyokról. Amikor nagy viharok érik a régiót, és a villamos hálózatok leállnak – gondoljunk hurrikánokra vagy a kegyetlen télis hóviharokra – a kórházak és a vészhelyzeti központok LFP tartalékrendszerrel továbbműködtek több mint 96 egymást követő órán keresztül problémamentesen. Semmilyen tüzet, semmilyen túlmelegedési problémát nem tapasztaltak. A legtöbb ilyen berendezés rendszeresen sikeresen átmegy a szigorú UL 9540A tűzbiztonsági teszteken, és teljesíti az NFPA 855 szabványban megállapított összes követelményt. A nagyobb képet tekintve az egész iparág 2021 óta kevesebb mint egyszer 10 000 egységenként tapasztal meghibásodást. A távközlési vállalatok is hasonló történeteket mesélnek. Hálózati tornyaik világszerte (15 000-nél több helyszín) egyetlen esetben sem mutattak hőfutás jelenségét. Ezt a lenyűgöző teljesítményt az LFP akkumulátorok kiváló hőállóságának, mélyciklus-állóságának és annak a képességüknek tulajdonítják, hogy hosszabb ideig folyamatosan töltve is zavartalanul működnek. Mindezek a gyakorlati tapasztalatok egyértelműen mutatják, hogy az LFP nemcsak papíron biztonságosabb – valójában jobban teljesít azokban a kaotikus, előre nem látható körülményekben, amelyekkel a kereskedelmi energiatároló rendszerek nap mint nap szembesülnek.

GYIK az LFP akkumulátorokról

Miért biztonságosabbak az LFP akkumulátorok az NMC vagy az NCA akkumulátoroknál?

Az LFP akkumulátorok olivin kristályszerkezettel rendelkeznek, amely szorosan köti az oxigénatomokat, csökkentve ezzel az oxigén felszabadulásának és a termikus elszaladás kockázatát – ezek pedig jelentős tűzveszélyt jelentenek más akkumulátortípusoknál, például az NMC vagy az NCA akkumulátoroknál.

Miben nyilvánul meg az LFP akkumulátorok hőállóságának előnye?

Az LFP akkumulátorok akár 270–300 °C-os hőmérsékletet is elviselnek, míg az NMC/NCA akkumulátoroknál a termikus elszaladás 150–200 °C-on kezdődik. Ez jelentős biztonsági tartalékot biztosít.

Milyen szerepet játszik az akkumulátor-kezelő rendszer (BMS) az LFP akkumulátorok biztonságában?

A BMS valós idejű felügyeletet biztosít az áram- és feszültség-túlterhelés ellen, az izolációs ellenállás ellenőrzését végzi, és mechanikai ellenálló képességet garantál, így több rétegű védelmet nyújt, amely kiegészíti az LFP kémiai összetétel belső stabilitását.

Hogyan biztosított a megfelelés az UL 9540A és az NFPA 855 szabványoknak?

Az LFP akkumulátorrendszerek érvényesített hőkezeléssel és szabványoknak megfelelő burkolatokkal készülnek, hogy megfeleljenek ezen szigorú ipari szabványoknak, és drasztikusan csökkentsék a tűzveszélyes eseteket a kereskedelmi üzemeltetés során.