Встроенная безопасность химического состава аккумуляторов LFP для коммерческого применения

Оливиновая кристаллическая структура: как она подавляет выделение кислорода и предотвращает температурный разгон

В основе высокой безопасности литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов лежит их оливиновая кристаллическая структура, имеющая химическую формулу LiFePO₄. В чём особенность этой структуры? Решётка фосфата железа удерживает атомы кислорода чрезвычайно прочно — настолько прочно, что даже при температурах свыше 500 °C выделение кислорода практически не наблюдается. Сравним это с оксидными катодами слоистой структуры, применяемыми в никелевых аккумуляторах, таких как NMC или NCA, — и картина становится интереснее. Эти другие структуры склонны разрушаться под воздействием перезаряда, механических повреждений или просто при длительном воздействии экстремальных температур. А вот что имеет решающее значение для безопасности: выделение кислорода провоцирует тепловой разгон — опасную цепную реакцию, способную привести к возгоранию. Поскольку LFP-аккумуляторы не склонны легко отдавать кислород, они фактически блокируют один из основных путей возникновения пожара. Именно поэтому такие аккумуляторы отлично зарекомендовали себя в тех областях, где безопасность имеет первостепенное значение: например, в плотно застроенных городских зданиях, в крупных дата-центрах, работающих круглосуточно, или на заводах, где любой риск возгорания недопустим как для людей, так и для дорогостоящего оборудования.

Эталон термостабильности: LFP по сравнению с NMC/NCA — температуры начала разложения и выделение экзотермической теплоты

Термостабильность химического состава LFP превосходит как у NMC, так и у NCA — это многократно подтверждалось в стандартных испытаниях на воздействие экстремальных условий. Большинство элементов аккумуляторов на основе NMC и NCA начинают входить в режим теплового разгона при температуре около 150–200 °C, тогда как материалы LFP сохраняют стабильность значительно дольше и остаются устойчивыми до температуры примерно 270–300 °C. Это означает, что разница в «температурном буфере безопасности» между этими химическими системами составляет порядка 100 °C. И вот ещё один важный момент: даже в случае отказа элемента LFP выделяется значительно меньше энергии при аварийных событиях по сравнению с другими типами аккумуляторов, что делает последствия отказов в реальных условиях применения, как правило, менее катастрофическими.

Такое сочетание — задержка начала и снижение выделения тепла (примерно вдвое по сравнению с никелевыми химическими составами) — даёт системам защиты больше времени на срабатывание и резко снижает вероятность распространения пожара в коммерческих системах хранения энергии на основе аккумуляторов.

Инженерия безопасности на уровне системы в коммерческих системах хранения энергии на основе LFP-аккумуляторов

Хотя внутренняя стабильность LFP-аккумуляторов является базовой предпосылкой, реальные коммерческие применения требуют надёжной инженерии на уровне системы для управления оставшимися рисками — включая электрические неисправности, экстремальные температуры окружающей среды и механические нагрузки. Ведущие производители интегрируют проверенные решения в области теплового контроля, конструктивного ограничения и проектирования корпусов в соответствии с нормативными требованиями, превосходящие базовые ожидания по безопасности.

Тепловой контроль, сертифицированный по стандарту UL 9540A: пассивная конструкция, активное охлаждение и локальное тушение на уровне отдельных элементов

Тепловой контроль, сертифицированный по стандарту UL 9540A, использует три взаимодополняющих уровня:

• Пассивный дизайн , используя материалы с фазовым переходом для поглощения кратковременных тепловых всплесков без подачи электропитания;
• Активное охлаждение , посредством жидкостных или систем принудительного воздушного охлаждения, поддерживая оптимальную температуру элементов в диапазоне 15–35 °C при различных нагрузках и условиях окружающей среды;
• Тушение на уровне отдельных элементов , которое быстро подавляет локальные тепловые события до того, как произойдёт их распространение.
  В совокупности эти стратегии были проверены в условиях экстремального воздействия — включая прокол гвоздём и внешний нагрев — и продемонстрировали способность локализовать отказы в пределах отдельных элементов, предотвращая цепную термическую разгерметизацию в пределах модулей.

Стратегии проектирования корпусов, соответствующие стандарту NFPA 855: вентиляция, изоляция и локализация пожара для коммерческих и промышленных систем хранения энергии на основе аккумуляторов (C&I BESS)

Коммерческие и промышленные системы хранения энергии на основе аккумуляторов (C&I BESS) должны соответствовать стандарту NFPA 855, который требует применения инженерно спроектированных корпусов, предназначенных для снижения рисков эскалации. Ключевые особенности включают:

• Панели взрыворазгрузки, обеспечивающие безопасное отведение продуктов разложения газа в сторону от персонала и смежного оборудования;
• Огнестойкая компартментализация — аккумуляторные блоки изолированы через каждые 20 кВт·ч для ограничения распространения огня;
• Керамические тепловые барьеры, замедляющие кондуктивный теплоперенос к окружающим конструкциям более чем на два часа.
  Данные о реальной эксплуатации более чем 12 000 соответствующих установок показывают снижение числа инцидентов, связанных с возгоранием, на 98 % по сравнению с некорректными конфигурациями, что подтверждает ценность физических мер безопасности, соответствующих нормативным требованиям.

Протоколы эксплуатационной безопасности, специфичные для коммерческих систем хранения энергии на основе литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов

Многоуровневая защита: управляемая системой управления аккумуляторами (BMS) защита от сверхтоков, контроль изоляции и механическая устойчивость

Коммерческие системы хранения энергии на основе литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов опираются на три взаимосвязанных операционных меры безопасности — каждая из которых независимо верифицирована и совместно координируется с помощью передовой системы управления аккумуляторами (BMS):

• Контроль сверхтоков и напряжения : обнаружение аномалий в режиме реального времени приводит к немедленному отключению цепи, предотвращая тепловую перегрузку, вызванную коротким замыканием;
• Контроль сопротивления изоляции обнаруживает замыкания на землю током всего от 0,5 мА — это критически важно для влажных, пыльных или соленых промышленных сред, где утечки по паразитным путям возникают часто;
• Механическая стойкость опоры с виброгашением, ударопрочные корпуса и сейсмические крепления сохраняют конструктивную целостность при транспортировке, монтаже и длительной эксплуатации.
  Эти протоколы соответствуют требованиям стандарта UL 1973 к стационарным системам накопления энергии и в совокупности обеспечивают подтверждённый на практике показатель предотвращения отказов 99,99 % в коммерческих развертываниях — гарантируя как безопасность, так и бесперебойность эксплуатации.

Проверенная на практике безопасность систем хранения энергии на основе литий-феррофосфатных (LFP) аккумуляторов в реальных коммерческих развертываниях

Надежность и безопасность систем хранения энергии на основе литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов постоянно улучшаются во всех типах коммерческих применений — от крупных подстанций электросетей до удаленных телекоммуникационных вышек, расположенных в самых отдаленных уголках планеты. Когда надвигаются сильные штормы и электросети выходят из строя — будь то ураганы или жестокие зимние метели — больницы и центры экстренной помощи, оснащенные резервными системами на базе LFP-аккумуляторов, продолжали функционировать более 96 часов подряд без каких-либо сбоев: ни одного случая возгорания, ни единого случая перегрева. Большинство таких установок регулярно успешно проходят строгие огневые испытания по стандарту UL 9540A и полностью соответствуют всем требованиям стандарта NFPA 855. В целом по отрасли показатель отказов составляет менее одного случая на 10 000 единиц с 2021 года. Телекоммуникационные компании сообщают аналогичные данные: их сетевые вышки по всему миру (речь идет более чем о 15 000 объектов) не зафиксировали ни одного случая термического разгона. Этот впечатляющий результат они объясняют исключительной устойчивостью LFP-аккумуляторов к экстремальным температурам, возможностью многократной глубокой циклической эксплуатации и сохранением работоспособности даже при длительном нахождении в режиме заряда. Все эти реальные примеры однозначно демонстрируют, что LFP-аккумуляторы не просто безопаснее «на бумаге» — они действительно обеспечивают лучшую производительность в сложных, непредсказуемых условиях, с которыми ежедневно сталкиваются коммерческие системы хранения энергии.

Часто задаваемые вопросы о литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторах

Почему литий-железо-фосфатные (LFP) аккумуляторы считаются более безопасными по сравнению с аккумуляторами на основе NMC или NCA?

У LFP-аккумуляторов оливиновая кристаллическая структура, которая прочно удерживает атомы кислорода, снижая риск выделения кислорода и теплового разгона — основных причин возгорания в других типах аккумуляторов, таких как NMC или NCA.

В чём заключается преимущество LFP-аккумуляторов в плане термостойкости?

LFP-аккумуляторы способны выдерживать температуры до 270–300 °C, тогда как у аккумуляторов NMC/NCA тепловой разгон начинается при 150–200 °C. Это обеспечивает значительный запас безопасности.

Какую роль играет система управления аккумулятором (BMS) в обеспечении безопасности LFP-аккумуляторов?

BMS обеспечивает мониторинг в реальном времени перегрузки по току и напряжению, сопротивления изоляции, а также гарантирует механическую прочность, добавляя несколько уровней защиты, дополняющих внутреннюю стабильность химии LFP.

Как обеспечивается соответствие стандартам, таким как UL 9540A и NFPA 855?

Системы батарей LFP разработаны с проверенной системой теплового управления и соответствующими корпусами для соблюдения этих строгих отраслевых стандартов, что значительно снижает количество инцидентов, связанных с возгоранием, при коммерческом использовании.