האבטחה האינטגרלית של כימיה הסוללה מסוג LFP ליישומים מסחריים

מבנה 결정ים מסוג אוליבין: כיצד הוא מדכא שחרור חמצן ועליית טמפרטורה קיצונית

במרכז הסיבה לכך שסוללות LFP הן כל כך בטוחות נמצאת המבנה البلוריני האוליביני שלהן, שנוסחתו הכימית היא LiFePO4. מה הופך מבנה זה למיוחד? ובכן, רשת הזרחניות של הברזל מחזיקה באטומים של חמצן במשיכה חזקה מאוד. כה חזקה, למעשה, עד שאיננו מבחינים כמעט בשחרור חמצן גם כאשר הטמפרטורות עולמות את 500 מעלות צלזיוס. השווה זאת לקתודות החמצן השכבותיות הנמצאות בסוללות מבוססות ניקל, כגון NMC או NCA, והדברים הופכים מעניינים. המבנים האחרים האלה נוטים להתפרק תחת לחץ של טעינה יתרה, נזק פיזי או פשוט חשיפה לחום קיצוני. הנה מה שחשוב ביותר לביטחון: שחרור חמצן מפעיל את התגובה התרמית הלא בשליטה (thermal runaway), שרשרת מסוכנת של תגובות שיכולה להוביל לדלקות. מכיוון ש־LFP לא משחררת את החמצן שלה בקלות, היא בעצם חותמת אחת מהדרכים העיקריות שבהן עלולות להתחיל דלקות. לכן סוללות אלו פועלות כל כך טוב במקומות שבהם הביטחון הוא קריטי לחלוטין — חשבו על בניינים עירוניים צפופים, מרכזי נתונים עצומים שפועלים ללא הפסקה, או מפעלים שבהם כל סיכון לדלקת יהיה בלתי מקובל לחלוטין הן עבור אנשים והן עבור ציוד יקר.

סף יציבות תרמית: LFP לעומת NMC/NCA — טמפרטורות התחלה וייצור חום אקסותרמי

היציבות התרמית של כימיה מסוג LFP בולטת יותר מאשר זו של אפשרויות NMC ו-NCA, דבר שהוכח שוב ושוב במבחני התעללות סטנדרטיים. רוב תאומי הסוללות מסוג NMC ו-NCA מתחילים להיכנס לאי-יציבות תרמית בטווח הטמפרטורות של 150–200 מעלות צלזיוס, בעוד שחומר ה-LFP נשאר יציב זמן רב יותר, ומשתמר עד טמפרטורה של כ-270–300 מעלות צלזיוס. כלומר, קיים הפרש בטוחות של כ-100 מעלות צלזיוס בין הכימיות הללו. ונהיה זה נקודה חשובה נוספת: גם אם קורה תקלה בתא מסוג LFP, הוא משחרר כמות אנרגיה קטנה בהשוואה לסוגי סוללות אחרים בעת תקלות, מה שגורם לתקלות להיות פחות קטסטרופליות ביישומים בעולם האמיתי.

שילוב זה — עיכוב בהתחלה ו ייצור חום נמוך יותר (כמחצית מזה של כימיות מבוססות ניקל) — מעניק למערכות הגנה זמן רב יותר להגיב ומקטין באופן דרמטי את הסבירות להתפשטות אש ביישומי אחסון סוללות מסחריים.

הנדסת בטיחות ברמה מערכתית באחסון מסחרי של סוללות LFP

אם כי היציבות הפנימית של LFP מהווה יסוד, יישומים מסחריים במציאות דורשים הנדסה חזקה ברמה המערכתית כדי לנהל סיכונים שנותרו — כולל תקלות חשמליות, טמפרטורות סביבתיות קיצוניות ומתח מכני. יצרנים מובילים משלבים במערכותיהם בקרת חום מאומתת, הכלה מבנית ועיצוב מעטפות המ cumplים את התקנות הרלוונטיות, על מנת לעלות על ציפיות הבטיחות הבסיסיות.

בקרת חום מאומתת לפי הסטנדרט UL 9540A: עיצוב פאסיבי, קירור אקטיבי וכיבוי ברמת התא

בקרת חום מאומתת לפי הסטנדרט UL 9540A מתבססת על שלוש שכבות תומכות:

• עיצוב פסיבי , באמצעות חומרים משנים פאזה לספיגת שיאי חום זמניים ללא הכנסה של ספק כוח;
• קירור פעיל , באמצעות מערכות נוזליות או קירור באויר מאולץ, תוך שמירה על טמפרטורות אופטימליות של התאים בטווח 15–35° צלזיוס בתנאי עומס וסביבה משתנים;
• כיבוי ברמת התא , אשר מדכא במהירות אירועים תרמיים מקומיים לפני שהספירה שלהם מתחילה;
  ביחד, אסטרטגיות אלו אושרו בתנאי התעללות קיצונית — כולל חדירה של מסמר וחימום חיצוני — כדי להגביל את הכישלונות לתא בודד, ולמנוע הסעת ריצה תרמית מחזורית לאורך המודולים.

אסטרטגיות לאחסון תואמות לתקן NFPA 855: ונטילציה, הפרדה ואחזקת אש למערכות אחסון אנרגיה סולארית מסחריות ותעשייתיות (C&I BESS)

מערכות אחסון אנרגיה סולארית מסחריות ותעשייתיות (C&I BESS) חייבות לעמוד בתקן NFPA 855, אשר דורשת איחסונים מהונדסים שנועדו לצמצם את סיכוני ההסלמה. מאפיינים מרכזיים כוללים:

• לוחות ונטילציה נגד פיצוצים שמאפשרים פליטה בטוחה של גזים יוצאים הרחק מאנשים ומציוד סמוך;
• הפרדת תאים בעמידות אש—ערכות סוללות מבודדות כל 20 קילווט-שעה כדי להגביל את התפשטות האש;
• מחסומים תרמיים קרמיים שמעכבים את העברת החום התרגמית למבנים סמוכים יותר משעתיים.
  נתוני ביצועים בשטח מיותר מ-12,000 התקנות תואמות מציגים הפחתה של 98% במקרי האש בהשוואה להתקנות לא תואמות, מה שמאשר את הערך של אמצעי הגנה פיזיים المتوافقים עם התקנות.

פרוטוקולי בטיחות تشغיליות ייחודיים לאחסון מסחרי של סוללות LFP

הגנה רב-שכבתית: ניטור זרם יתר, ניטור בידוד ועמידות מכנית, מנוהלים על ידי מערכת ניהול סוללות (BMS)

אחסון מסחרי של סוללות LFP מבוסס על שלשה אמצעי בטיחות تشغיליות מתוכננים זה לזה—כל אחד מאושר באופן עצמאי והכול מתואם באופן קולקטיבי דרך מערכת ניהול סוללות מתקדמת (BMS):

• ניטור זרם יתר ומתח זיהוי בזמן אמת של חריגות מפעיל בידוד מיידי של המעגל, ומניע עומס תרמי הנגרם על ידי קצר;
• מעקב אחר חוסם חשמלי מזהה תקלות באדמה כבר ב-0.5 מיליאמפר — קריטי לסביבות תעשייתיות לחות, עפריות או עשירות מלח, שבהן מסלולי דליפה נפוצים;
• עמידות מכנית תומכות לבלימת רעידה, מעטפות مقاומות דחיסה ותומכות סיסמיות שומרות על השלמות המבנית במהלך הובלה, התקנה ותפעול לאורך זמן.
  הפרוטוקולים הללו עומדים בדרישות הסטנדרט UL 1973 לאחסון אנרגיה סטациונרי, ומגיעים יחדיו לשיעור של 99.99% של מניעת תקלות, אשר אושר בשדה בה deployments מסחריים — ומבטיחים גם בטיחות וגם רציפות תפעולית.

ביצועי הבטיחות שנבדקו בשטח עבור מערכות אחסון סוללות LFP בה deployments מסחריים אמיתיים

הסימן של אמינות ובטיחות של סוללות אחסון מסוג LFP ממשיך להתחזק בכל סוגי ההגדרות המסחריות, בין אם מדובר בתחנות משנה ענקיות ברשת החשמל או במגדלי התקשורת הבודדים הנמצאים באיזור מרוחק. כאשר סופות גדולות פוגעות והרשת החשמלית נופלת — נאמר סופות הוריקן או סופות שלגים קשות בחורף — בתי חולים ומراكז חירום שמשתמשים במערכות גיבוי מסוג LFP המשיכו לפעול למשך יותר מ-96 שעות רצופות ללא כל בעיה. לא היו דלקות, ולא היו בעיות של חימום יתר בכלל. רוב ההתקנות הללו עוברות באופן קבוע את מבחני הדלקה הקשיחים של UL 9540A ומקיימות את כל הדרישות שהגדירה NFPA 855. אם מסתכלים על התמונה הכוללת, כל התעשייה רואה כי תקלות מתרחשות פחות מפעם אחת ל-10,000 יחידות מאז 2021. חברות התקשורת מספרות גם הן סיפורים דומים. המגדלים הרשתיים שלהן ברחבי העולם (מדובר ב-15,000 מיקומים ומעלה) לא חוו אף מקרה אחד של ריצה תרמית. הן מייחסות את הסטטיסטיקה המרשימה הזו ליכולת הגבוהה של סוללות LFP להתמודד עם טמפרטורות קיצוניות, לספק מחזורים עמוקים רבים, ולפעול כראוי גם כאשר נותרים מחוברים למקור החשמל לאורך תקופות ארוכות. כל החוויות האמיתיות הללו מראות בבירור כי סוללות LFP אינן בטוחות רק על הנייר — אלא אכן מפגינות ביצועים טובים יותר בתנאים מעשיים, מבולבלים ולא צפויים שאותם פוגעות מדי יום מערכות אחסון אנרגיה מסחריות.

שאלה נפוצה על סוללות LFP

למה סוללות LFP נחשבות לבטוחות יותר מסוללות NMC או NCA?

סוללות LFP בעלות מבנה גבישי אוליבין שמחזיק באטומים של חמצן בצורה צמודה, מה שמקטין את הסיכון לשחרור חמצן ולביצוע תרמי (thermal runaway), אשר מהווים סיכונים גדולים להצתה בסוללות אחרות כגון NMC או NCA.

מהי היתרון של סוללות LFP בתחום היציבות התרמית?

סוללות LFP יכולות לשרוד טמפרטורות עד 270–300 מעלות צלזיוס, לעומת סוללות NMC/NCA שמביאות לתופעת הביצוע התרמי כבר ב-150–200 מעלות צלזיוס. עובדה זו מספקת רזרבה בטיחותית משמעותית.

מה התפקיד של מערכת ניהול הסוללה (BMS) בבטיחות סוללות LFP?

מערכת ניהול הסוללה (BMS) מספקת ניטור בזמן אמת של חשמל עילי ומתח, של התנגדות בידוד, ומבטיחה עמידות מכנית – מה שמוסיף שכבות הגנה מרובות המשלימות את היציבות הפנימית של כימיה ה-LFP.

איך מובטחת ההתאמה לתקנים כגון UL 9540A ו-NFPA 855?

מערכות סוללות LFP מעוצבות עם ניהול תרמי מאומת וקופסאות עמידות על מנת לעמוד בסטנדרטים התעשייתיים המרובדים הללו, ובכך מקטינות באופן דרמטי את מקרי השריפה בהתקנות מסחריות.