ความปลอดภัยโดยธรรมชาติของเคมีแบตเตอรี่ LFP สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์

โครงสร้างผลึกโอลิวีน: กลไกที่ยับยั้งการปล่อยออกซิเจนและการล้มเหลวแบบรุนแรง (thermal runaway)

หัวใจสำคัญที่ทำให้แบตเตอรี่ชนิด LFP มีความปลอดภัยสูงนั้นอยู่ที่โครงสร้างผลึกโอลิวีน (olivine) ซึ่งมีสูตรเคมีคือ LiFePO4 แล้วสิ่งใดที่ทำให้โครงสร้างนี้พิเศษ? คำตอบคือโครงข่ายเหล็กฟอสเฟตยึดอะตอมออกซิเจนไว้อย่างแน่นหนาเป็นพิเศษ แน่นหนาจนแทบไม่มีการปล่อยออกซิเจนออกมาเลย แม้เมื่ออุณหภูมิจะสูงเกิน 500 องศาเซลเซียสก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกับคาโทดแบบชั้น (layered oxide) ที่ใช้ในแบตเตอรี่ที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบ เช่น NMC หรือ NCA สถานการณ์ก็จะน่าสนใจยิ่งขึ้น โครงสร้างดังกล่าวมักเสื่อมสภาพภายใต้แรงกดดันจากภาวะชาร์จเกิน ความเสียหายเชิงกายภาพ หรือแม้แต่การสัมผัสกับความร้อนสุดขีด สิ่งที่สำคัญที่สุดต่อความปลอดภัยคือ การปล่อยออกซิเจนจะเร่งปฏิกิริยาความร้อนล้น (thermal runaway) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ที่อันตรายและอาจนำไปสู่การลุกไหม้ได้ เนื่องจากแบตเตอรี่ LFP ไม่ปล่อยออกซิเจนออกมาโดยง่าย จึงเท่ากับตัดแหล่งหนึ่งของสาเหตุหลักที่อาจก่อให้เกิดเพลิงไหม้ นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมแบตเตอรี่เหล่านี้จึงทำงานได้ดีเยี่ยมในสถานที่ที่ความปลอดภัยมีความสำคัญสูงสุดอย่างยิ่ง เช่น อาคารในเมืองที่มีความหนาแน่นสูง ศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่ที่ทำงานตลอด 24 ชั่วโมง หรือโรงงานอุตสาหกรรมที่ความเสี่ยงใด ๆ ต่อการเกิดเพลิงไหม้ถือว่ายอมรับไม่ได้ทั้งต่อบุคลากรและอุปกรณ์ราคาแพง

เกณฑ์การประเมินความเสถียรทางความร้อน: LFP เทียบกับ NMC/NCA — อุณหภูมิเริ่มต้นและปริมาณความร้อนที่ปลดปล่อยออกมา

ความเสถียรทางความร้อนของแบตเตอรี่ชนิด LFP โดดเด่นกว่าแบตเตอรี่ชนิด NMC และ NCA อย่างชัดเจน ซึ่งผลจากการทดสอบความเครียดมาตรฐานได้ยืนยันซ้ำแล้วซ้ำเล่า สำหรับเซลล์แบตเตอรี่ NMC และ NCA ส่วนใหญ่ จะเริ่มเข้าสู่ภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) ที่ช่วงอุณหภูมิประมาณ 150–200 องศาเซลเซียส แต่วัสดุ LFP ยังคงมีความเสถียรเป็นเวลานานกว่ามาก โดยสามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึงประมาณ 270–300 องศาเซลเซียส นั่นหมายความว่า มีระยะขอบความปลอดภัยเชิงอุณหภูมิที่กว้างกว่าประมาณ 100 องศาเซลเซียส เมื่อเปรียบเทียบระหว่างเคมีสองประเภทนี้ นอกจากนี้ยังมีประเด็นสำคัญอีกประการหนึ่ง คือ แม้จะเกิดข้อผิดพลาดกับเซลล์ LFP ก็ตาม ปริมาณพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาระหว่างเหตุการณ์ล้มเหลวก็ยังน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่น จึงทำให้เหตุการณ์ล้มเหลวโดยรวมมีความรุนแรงน้อยลงในแอปพลิเคชันจริง

การรวมกันนี้ — การเริ่มต้นที่ช้าลง และ การสร้างความร้อนต่ำลง (ประมาณครึ่งหนึ่งของเคมีแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิล) — ทำให้ระบบป้องกันมีเวลาตอบสนองมากขึ้น และลดโอกาสการลุกลามของไฟอย่างมากในการติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานจากแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์

วิศวกรรมความปลอดภัยระดับระบบสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานจากแบตเตอรี่ LFP แบบเชิงพาณิชย์

แม้ว่าความมั่นคงโดยธรรมชาติของแบตเตอรี่ LFP จะเป็นพื้นฐานสำคัญ แต่การประยุกต์ใช้งานเชิงพาณิชย์ในโลกแห่งความเป็นจริงยังต้องอาศัยวิศวกรรมระดับระบบอย่างแข็งแกร่ง เพื่อจัดการความเสี่ยงที่หลงเหลืออยู่ ซึ่งรวมถึงข้อบกพร่องทางไฟฟ้า อุณหภูมิแวดล้อมสุดขั้ว และแรงเครียดเชิงกล ผู้ผลิตชั้นนำจึงผสานรวมระบบควบคุมอุณหภูมิที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว การบรรจุโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพ และการออกแบบตู้ครอบที่สอดคล้องตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ เพื่อให้เกินกว่ามาตรฐานความปลอดภัยขั้นพื้นฐาน

ระบบจัดการอุณหภูมิที่ผ่านการรับรองตามมาตรฐาน UL 9540A: การออกแบบแบบพาสซีฟ การทำความเย็นแบบแอคทีฟ และการดับความร้อนระดับเซลล์

ระบบจัดการอุณหภูมิที่ผ่านการรับรองตามมาตรฐาน UL 9540A ใช้สามชั้นที่เสริมซึ่งกันและกัน:

• การออกแบบแบบพาสซีฟ , โดยใช้วัสดุเปลี่ยนสถานะ (phase-change materials) เพื่อดูดซับคลื่นความร้อนชั่วคราวโดยไม่ต้องใช้พลังงานจากภายนอก;
• การระบายความร้อนแบบใช้งาน , ผ่านระบบหล่อเย็นด้วยของเหลวหรือระบบระบายอากาศแบบบังคับ ซึ่งรักษาอุณหภูมิเซลล์ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมระหว่าง 15–35°C ภายใต้สภาวะโหลดและอุณหภูมิแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงได้;
• การดับความร้อนระดับเซลล์ , ซึ่งสามารถยับยั้งเหตุการณ์ความร้อนเกินท้องถิ่นได้อย่างรวดเร็วก่อนที่จะลุกลามไปยังเซลล์อื่น;
  โดยรวมแล้ว กลยุทธ์เหล่านี้ได้รับการตรวจสอบและยืนยันแล้วภายใต้สภาวะการใช้งานที่รุนแรงอย่างยิ่ง—รวมถึงการเจาะด้วยหมุดและการให้ความร้อนจากภายนอก—เพื่อจำกัดความล้มเหลวให้อยู่ภายในเซลล์เดียว และป้องกันไม่ให้เกิดปรากฏการณ์ thermal runaway แบบลูกโซ่ที่แพร่กระจายไปยังโมดูลอื่นๆ

NFPA 855—กลยุทธ์การออกแบบโครงสร้างหุ้มที่สอดคล้องตามมาตรฐาน: การระบายอากาศ การแยกส่วน และการกักเก็บไฟสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม (C&I BESS)

ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม (C&I BESS) จำเป็นต้องสอดคล้องตามมาตรฐาน NFPA 855 ซึ่งกำหนดให้มีการออกแบบโครงสร้างหุ้มแบบวิศวกรรมเพื่อลดความเสี่ยงในการลุกลามของเหตุฉุกเฉิน คุณสมบัติหลักประกอบด้วย:

• แผงระบายแรงระเบิดที่ออกแบบมาเพื่อปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นออกจากเซลล์แบตเตอรี่ออกไปอย่างปลอดภัย ห่างไกลจากบุคลากรและอุปกรณ์ที่อยู่ใกล้เคียง;
• การแบ่งส่วนเพื่อป้องกันไฟไหม้—ชุดแบตเตอรี่ถูกแยกออกจากกันทุกๆ 20 กิโลวัตต์-ชั่วโมง เพื่อจำกัดการลุกลามของเปลวไฟ;
• อุปสรรคความร้อนจากเซรามิกที่ช่วยชะลอการถ่ายเทความร้อนแบบนำความร้อนไปยังโครงสร้างรอบข้างเป็นเวลาเกินสองชั่วโมง
  ข้อมูลประสิทธิภาพจริงจากการติดตั้งที่สอดคล้องตามมาตรฐานมากกว่า 12,000 แห่ง แสดงให้เห็นว่าจำนวนเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับไฟไหม้ลดลง 98% เมื่อเทียบกับการติดตั้งที่ไม่สอดคล้องตามมาตรฐาน ซึ่งย้ำถึงคุณค่าของการใช้มาตรการป้องกันทางกายภาพที่สอดคล้องกับข้อกำหนดทางเทคนิค

แนวทางปฏิบัติด้านความปลอดภัยในการดำเนินงานที่เฉพาะเจาะจงสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ LFP ระดับเชิงพาณิชย์

การป้องกันแบบหลายชั้น: การควบคุมกระแสเกิน ระบบตรวจสอบฉนวนกันไฟฟ้า และความแข็งแรงเชิงกล โดยระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เป็นผู้ขับเคลื่อน

ระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ LFP ระดับเชิงพาณิชย์อาศัยมาตรการป้องกันการดำเนินงานสามประการที่พึ่งพาอาศัยกันและกัน—แต่ละมาตรการได้รับการตรวจสอบความถูกต้องอย่างอิสระ และประสานงานร่วมกันผ่านระบบจัดการแบตเตอรี่ขั้นสูง (BMS):

• การตรวจสอบกระแสเกินและแรงดันไฟฟ้า : การตรวจจับความผิดปกติแบบเรียลไทม์จะกระตุ้นให้ตัดวงจรทันที เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดภาวะโหลดความร้อนจากวงจรลัดวงจร;
• การตรวจสอบความต้านทานฉนวน ตรวจจับข้อบกพร่องที่พื้นดินได้ต่ำสุดถึง 0.5 มิลลิแอมแปร์ — ซึ่งมีความสำคัญยิ่งในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่มีความชื้นสูง ฝุ่นมาก หรือมีเกลือสะสมสูง ซึ่งมักเกิดเส้นทางรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าได้ง่าย
• ความยืดหยุ่นทางกล ขาตั้งลดการสั่นสะเทือน โครงหุ้มที่ทนต่อแรงกดทับ และระบบยึดเสริมความมั่นคงเพื่อป้องกันแผ่นดินไหว ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ระหว่างการขนส่ง การติดตั้ง และการใช้งานระยะยาว
  โปรโตคอลเหล่านี้สอดคล้องตามข้อกำหนด UL 1973 สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานแบบคงที่ และโดยรวมแล้วสามารถป้องกันความล้มเหลวได้ถึงร้อยละ 99.99 ในการใช้งานจริงเชิงพาณิชย์ — ซึ่งรับประกันทั้งความปลอดภัยและความต่อเนื่องในการปฏิบัติงาน

ประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของระบบจัดเก็บพลังงานแบตเตอรี่ LFP ที่พิสูจน์แล้วในสถานการณ์การใช้งานจริงเชิงพาณิชย์

บันทึกด้านความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยของระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ LFP ยังคงแข็งแกร่งขึ้นเรื่อยๆ ทั่วทุกสถานการณ์เชิงพาณิชย์ ไม่ว่าจะเป็นสถานีไฟฟ้าย่อยขนาดใหญ่บนโครงข่ายหลัก หรือแม้แต่หอส่งสัญญาณโทรคมนาคมที่ตั้งอยู่โดดเดี่ยวกลางห่างไกลจากแหล่งชุมชน เมื่อพายุรุนแรงพัดถล่มและโครงข่ายไฟฟ้าล้มเหลว—ไม่ว่าจะเป็นพายุเฮอริเคนหรือพายุหิมะฤดูหนาวอันรุนแรง—โรงพยาบาลและศูนย์ฉุกเฉินที่ติดตั้งระบบสำรองพลังงานแบบ LFP ยังคงสามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่องนานกว่า 96 ชั่วโมงโดยไม่มีปัญหาใดๆ เลย ไม่มีเหตุเพลิงไหม้ และไม่มีปัญหาการร้อนจัดแต่อย่างใด ส่วนใหญ่ของการติดตั้งเหล่านี้ผ่านการทดสอบความปลอดภัยจากไฟไหม้ตามมาตรฐาน UL 9540A ซึ่งมีความเข้มงวดสูง และสอดคล้องกับข้อกำหนดทั้งหมดตามมาตรฐาน NFPA 855 มองในภาพรวมของอุตสาหกรรมทั้งหมด พบว่าอัตราความล้มเหลวลดลงเหลือต่ำกว่าหนึ่งครั้งต่อ 10,000 หน่วย นับตั้งแต่ปี 2021 เป็นต้นมา บริษัทโทรคมนาคมก็เล่าเรื่องราวในทำนองเดียวกัน กล่าวคือ หอส่งสัญญาณเครือข่ายทั่วโลกของพวกเขา (ซึ่งครอบคลุมสถานที่มากกว่า 15,000 แห่ง) ไม่เคยประสบเหตุการณ์การควบคุมอุณหภูมิภายในเซลล์แบตเตอรี่เสียหาย (thermal runaway) แม้แต่ครั้งเดียว พวกเขาให้เครดิตผลลัพธ์ที่น่าประทับใจนี้แก่คุณสมบัติของแบตเตอรี่ LFP ที่สามารถทนต่ออุณหภูมิสุดขั้วได้ดีเยี่ยม รองรับการชาร์จ-ปล่อยพลังงานแบบลึก (deep cycling) ได้หลายครั้ง และยังคงทำงานได้ตามปกติแม้จะถูกทิ้งไว้ในโหมดชาร์จเป็นเวลานาน ประสบการณ์จริงทั้งหมดเหล่านี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า LFP ไม่ใช่เพียงแค่ ‘ปลอดภัยกว่า’ ตามเอกสารทางเทคนิคเท่านั้น แต่ยังมีประสิทธิภาพในการปฏิบัติงานที่เหนือกว่าจริงๆ ภายใต้สภาวะที่ซับซ้อนและไม่แน่นอน ซึ่งระบบกักเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์ต้องเผชิญทุกวัน

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ LFP

เหตุใดแบตเตอรี่ LFP จึงถือว่ามีความปลอดภัยมากกว่าแบตเตอรี่ NMC หรือ NCA?

แบตเตอรี่ LFP มีโครงสร้างผลึกแบบโอลิวีนซึ่งยึดอะตอมออกซิเจนไว้อย่างแน่นหนา จึงลดความเสี่ยงของการปลดปล่อยออกซิเจนและภาวะร้อนล้น (thermal runaway) ซึ่งเป็นอันตรายจากไฟไหม้หลักในแบตเตอรี่ประเภทอื่น เช่น NMC หรือ NCA

ข้อได้เปรียบด้านความเสถียรทางความร้อนของแบตเตอรี่ LFP คืออะไร?

แบตเตอรี่ LFP สามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงสุดถึง 270–300 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ NMC/NCA ซึ่งเริ่มเกิดภาวะร้อนล้นที่อุณหภูมิ 150–200 องศาเซลเซียส จึงให้ขอบเขตความปลอดภัยที่สำคัญ

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) มีบทบาทอย่างไรต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ LFP?

BMS ทำหน้าที่ตรวจสอบแบบเรียลไทม์สำหรับกระแสเกินและแรงดันไฟฟ้า ความต้านทานฉนวน และรับประกันความแข็งแรงเชิงกล ซึ่งเพิ่มชั้นการป้องกันหลายชั้นที่เสริมความเสถียรโดยธรรมชาติของเคมี LFP

การปฏิบัติตามมาตรฐานต่าง ๆ เช่น UL 9540A และ NFPA 855 ได้รับการรับรองอย่างไร?

ระบบแบตเตอรี่ LFP ได้รับการออกแบบด้วยระบบจัดการความร้อนที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว และโครงหุ้มที่สอดคล้องตามมาตรฐานอุตสาหกรรมที่เข้มงวดเหล่านี้ ซึ่งช่วยลดเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับเพลิงไหม้ในสถานการณ์การใช้งานเชิงพาณิชย์อย่างมาก