LFP akumuliatorių chemijos įgimta sauga komercinėms aplikacijoms

Olivino kristalinė struktūra: kaip ji slopina deguonies išsiskyrimą ir šiluminį išbėgimą

LFP akumuliatorių ypatingos saugos širdyje slypi jų olivino kristalinė struktūra, kurios cheminė formulė yra LiFePO₄. Kas daro šią struktūrą ypatinga? Na, geležies fosfato gardelė labai stipriai laiko deguonies atomus. Taip stipriai, kad net esant temperatūrai virš 500 °C beveik nepastebima deguonies išsiskyrimo. Palyginkime tai su sluoksniuotais oksidiniais katodais, kurie naudojami nikeliu paremtuose akumuliatoriuose, pvz., NMC ar NCA, ir dalykai tampa įdomūs. Kitos struktūros, veikiamos perkrovimo, fizinio pažeidimo ar tiesiog ekstremalių temperatūrų, dažnai suskyla. Dabar – tai, kas svarbiausia saugai: deguonies išsiskyrimas skatina šiluminį nekontroliuojamą procesą („thermal runaway“), pavojingą grandininę reakciją, kuri gali sukelti gaisrus. Kadangi LFP akumuliatoriai neduos deguonies lengvai, jie efektyviai pašalina vieną pagrindinių gaisrų kilimo priežasčių. Todėl šie akumuliatoriai puikiai tinka vietoms, kur sauga yra absoliučiai būtina: tankiai apgyvendintuose miesto pastatuose, nuolat veikiančiuose didžiuosiuose duomenų centruose arba gamyklose, kur bet koks gaisro pavojus būtų visiškai nepriimtinas tiek žmonėms, tiek brangiai įrangai.

Šiluminės stabilumo lyginamasis tyrimas: LFP prieš NMC/NCA – pradžios temperatūros ir egzoterminės šilumos išsiskyrimas

LFP chemijos šiluminė stabilumas išsiskiria geriau nei tiek NMC, tiek NCA variantai, ką standartiniai netinkamo naudojimo bandymai ne kartą patvirtino. Dauguma NMC ir NCA akumuliatorių elementų pradeda įsilauti šiluminėje nelaimėje apytiksliai 150–200 °C temperatūroje, tačiau LFP medžiagos išlieka stabilios žymiai ilgiau – iki apytiksliai 270–300 °C. Tai reiškia, kad tarp šių chemijų yra maždaug 100 laipsnių saugos rezervo skirtumas. Ir dar vienas svarbus momentas: net jei su LFP elementu kažkas nutinka, gedimo metu jis išskleidžia žymiai mažiau energijos nei kitų tipų akumuliatoriai, todėl realiose sąlygose gedimai dažniausiai būna mažiau katastrofiški.

Ši kombinacija – vėlyvas pradžios momentas ir sumažinta šilumos generacija (maždaug pusė to, ką sukuria nikeliu paremtos chemijos) – suteikia apsauginėms sistemoms daugiau laiko reaguoti ir žymiai sumažina ugnies plitimo tikimybę komercinėse litio geležies fosfato (LFP) baterijų saugyklose.

Sisteminis saugos inžinerijos sprendimas komercinėse LFP baterijų saugyklose

Nors LFP vidinė stabilumas yra pagrindinis veiksnys, realaus pasaulio komercinėse aplikacijose reikalinga patikima sisteminė inžinerija, kad būtų valdomos likusios rizikos – įskaitant elektros gedimus, aplinkos temperatūros kraštutinumus ir mechaninį krūvį. Pirmaujantys gamintojai integruoja patvirtintus šilumos valdymo sprendimus, konstrukcinį apribojimą bei reguliacijos reikalavimus atitinkančią korpuso projektavimą, kad viršytų bazines saugos lūkesčius.

UL 9540A patvirtintas šilumos valdymas: pasyvus projektavimas, aktyvus aušinimas ir elemento lygio gesinimas

UL 9540A patvirtintas šilumos valdymas naudoja tris papildančias sluoksnių lygius:

• Pasyvus projektavimas , naudojant fazės pokyčių medžiagas, kurios sugeria laikinus karščio šuolius be elektros energijos tiekimo;
• Aktyvus aušinimas , naudojant skystą arba priverstinio oro aušinimo sistemas, kad būtų palaikomos optimalios elementų temperatūros nuo 15 iki 35 °C esant kintamoms apkrovoms ir aplinkos sąlygoms;
• Elemento lygio gesinimas , kuris greitai slopina vietinius terminius įvykius dar prieš jų plitimą.
  Šios strategijos kartu buvo patvirtintos ekstremaliomis netinkamos naudojimo sąlygomis – įskaitant vinies prasidūrimą ir išorinį šildymą – kad būtų apribojami gedimai tik atskiruose elementuose ir būtų užkirstas kelias grandininiam terminiam nekontroliuojamam procesui visoje modulio srityje.

NFPA 855 – atitinkančios konstrukcinės apsaugos strategijos: ventilacija, izoliacija ir gaisro suvaržymas komercinėms ir pramoninėms akumuliatorių energijos kaupimo sistemoms (C&I BESS)

Komercinės ir pramoninės akumuliatorių energijos kaupimo sistemos (C&I BESS) turi atitikti NFPA 855 standartą, kuris nustato techniškai suprojektuotų korpusų reikalavimus, skirtus sumažinti avarijų pasekmių plitimą. Pagrindiniai bruožai yra:

• Sprogimo ventiliacijos plokštės, kurios saugiai nukreipia išsiskyrusius dujų išmetimus nuo personalo ir šalia esamos įrangos;
• Ugniai atspari kompartamentinė sistema – baterijų blokai izoliuojami kas 20 kWh, kad būtų apribojamas ugnies plitimas;
• Keraminiai šiluminiai barjerai, kurie vėlina šilumos laidumą į aplinkines konstrukcijas daugiau nei dviem valandomis.
  Daugiau nei 12 000 atitinkančių reikalavimus įrengimų veikimo duomenys rodo 98 % mažesnį ugnies susijusių incidentų skaičių palyginti su neatitinkančiomis konfigūracijomis, patvirtindami kodams atitinkančių fizinės apsaugos priemonių vertę.

Veikimo saugos protokolai, būdingi komercinėms LFP baterijų saugyklos sistemoms

Daugiasluoksnė apsauga: BMS valdoma perdėta srovė, izoliacijos stebėsena ir mechaninė atsparumas

Komercinės LFP baterijų saugyklos sistemos remiasi trijų tarpusavyje susijusių veikimo saugos priemonių rinkiniu – kiekviena iš jų nepriklausomai patikrinta ir visos kartu koordinuojamos pažangios baterijų valdymo sistemos (BMS):

• Perdėtos srovės ir įtampos stebėsena : realiuoju laiku aptinkant nukrypimus akimirksniu atjungiama grandinė, neleidžiant šiluminiam perkrovimui dėl trumpojo jungimo;
• Iztętinės atsparumo stebėjimas aptinka žemės nuotėkio gedimus net iki 0,5 mA — tai ypač svarbu drėgnose, dulkingose arba druskingose pramoninėse aplinkose, kur nuotėkio keliai pasitaiko dažnai;
• Mechaninė atsparumas virpesių slopinamieji tvirtinimai, suspaudimui atsparūs korpusai ir seisminei apkrovai pritaikyti stiprinimai išlaiko konstrukcinę vientisumą per vežimą, montavimą ir ilgalaikę eksploataciją.
  Šie protokolai atitinka UL 1973 reikalavimus nejudamiesiems energijos kaupikliams ir kartu pasiekia 99,99 % gedimų prevencijos rodiklį komercinėse įdiegimo vietose — užtikrindami tiek saugą, tiek veiklos tęstinumą.

LFP akumuliatorių energijos kaupimo sistemų saugos našumo patvirtinimas realiose komercinėse įdiegimo vietose

LFP baterijų kaupimo patikimumo ir saugumo įrašai vis labiau stiprėja visose komercinėse aplinkose – nuo milžiniškų elektros tinklo transformatorių stočių iki tų vienišų ryšių bokštų, išsibarstytų tolimiausiose vietose. Kai pučia dideli audros frontai ir nutrūksta elektros tiekimas – pavyzdžiui, uraganai ar šiurkštūs žiemos pūgos – ligoninės ir skubiosios pagalbos centrai, turintys LFP atsarginius energijos šaltinius, veikė be pertraukos daugiau nei 96 valandas be jokių problemų. Neįvyko nei vieno užsiliepsnojimo, nei perkaitimo problemų. Dauguma šių įrengimų reguliariai išlaiko griežtus UL 9540A ugnies išbandymus ir atitinka visus NFPA 855 nustatytus reikalavimus. Apžvelgiant bendrą situaciją, visoje pramonėje nuo 2021 m. gedimų dažnis yra mažesnis nei vienas atvejis iš 10 000 vienetų. Panašias istorijas pasakoja ir ryšių įmonės. Jų tinklo bokštai visame pasaulyje (kalbame apie daugiau nei 15 000 vietų) neturėjo nė vieno termalinio nekontroliuojamo kaitimo atvejo. Šią įspūdingą statistiką jos priskiria LFP baterijų puikioms savybėms veikti ekstremaliomis temperatūromis, gebėjimui daug kartų būti gilinamai iškraunamoms ir vis dar tinkamai veikti net ilgą laiką likus įkraunamoms. Visi šie realaus pasaulio patyrimai aiškiai rodo, kad LFP baterijos yra ne tik saugesnės teorijoje – jos iš tiesų geriau veikia sudėtingose ir neprognozuojamose sąlygose, su kuriomis kasdien susiduria komercinis energijos kaupimas.

Daugiausiai užduodami klausimai apie LFP akumuliatorius

Kodėl LFP akumuliatoriai laikomi saugesniais nei NMC ar NCA akumuliatoriai?

LFP akumuliatorių olivino kristalinė struktūra stipriai laiko deguonies atomus, todėl sumažėja deguonies išsiskyrimo ir šiluminio nekontroliuojamo kaitimo rizika, kurios yra pagrindiniai gaisro pavojai kitų akumuliatorių tipų, tokių kaip NMC ar NCA, atveju.

Koks yra LFP akumuliatorių šiluminės stabilumo privalumas?

LFP akumuliatoriai gali atlaikyti temperatūrą iki 270–300 °C, o NMC/NCA akumuliatoriai šiluminį nekontroliuojamą kaitimą pradeda esant 150–200 °C temperatūrai. Tai suteikia reikšmingą saugos rezervą.

Kokia yra baterijų valdymo sistemos (BMS) vaidmenys LFP akumuliatorių saugai?

BMS tikrina per didelę srovę ir įtampą, izoliacijos varžą realiuoju laiku bei užtikrina mechaninę atsparumą, taip pridedama keletas apsaugos sluoksnių, kurie papildo LFP chemijos vidinę stabilumą.

Kaip užtikrinama atitiktis standartams, tokiems kaip UL 9540A ir NFPA 855?

LFP baterijų sistemos sukurtos su patvirtinta šilumos valdymo sistema ir atitinkamais korpusais, kad būtų laikomasi šių griežtų pramonės standartų, o tai žymiai sumažina komercinėse sistemose susijusius su ugnimi incidentus.