Độ an toàn vốn có của hóa học pin LFP trong các ứng dụng thương mại

Cấu trúc tinh thể olivin: Cơ chế ức chế việc giải phóng oxy và hiện tượng mất kiểm soát nhiệt

Lý do chính khiến pin LFP an toàn đến vậy nằm ở cấu trúc tinh thể olivin của chúng, có công thức hóa học là LiFePO4. Điều gì khiến cấu trúc này đặc biệt? Đó là mạng lưới sắt phốtphat giữ chặt các nguyên tử ôxy đến mức ngay cả khi nhiệt độ tăng vượt quá 500 độ C, chúng ta cũng hầu như không thấy ôxy thoát ra. Hãy so sánh điều này với các catôt oxit lớp trong pin dựa trên niken như NMC hoặc NCA — lúc đó tình hình trở nên thú vị hơn. Các cấu trúc khác này thường bị phá vỡ dưới tác động của hiện tượng sạc quá tải, hư hỏng cơ học hoặc thậm chí chỉ do tiếp xúc với nhiệt độ cực cao. Và đây là yếu tố quan trọng nhất đối với độ an toàn: việc giải phóng ôxy thúc đẩy hiện tượng chạy nhiệt (thermal runaway), một phản ứng dây chuyền nguy hiểm có thể dẫn đến cháy. Vì pin LFP không dễ dàng giải phóng ôxy, nên về cơ bản nó loại bỏ một trong những nguyên nhân chính gây cháy. Đó là lý do vì sao những loại pin này hoạt động rất tốt tại những nơi mà yếu tố an toàn mang tính sống còn, ví dụ như các tòa nhà chung cư cao tầng trong thành phố, các trung tâm dữ liệu khổng lồ vận hành liên tục hoặc các nhà máy, nơi bất kỳ rủi ro cháy nào đều hoàn toàn không thể chấp nhận được — cả đối với con người lẫn thiết bị đắt tiền.

Tiêu chuẩn ổn định nhiệt: LFP so với NMC/NCA — Nhiệt độ bắt đầu và lượng nhiệt tỏa ra

Tính ổn định nhiệt của hóa học LFP nổi bật hơn so với cả hai lựa chọn NMC và NCA, điều này đã được các bài kiểm tra bất thường tiêu chuẩn chứng minh lặp đi lặp lại. Hầu hết các tế bào pin NMC và NCA bắt đầu rơi vào trạng thái mất kiểm soát nhiệt trong khoảng nhiệt độ từ 150 đến 200 độ C, trong khi vật liệu LFP duy trì ổn định lâu hơn nhiều, chỉ bắt đầu suy giảm ở khoảng 270 đến 300 độ C. Điều đó có nghĩa là chênh lệch về khoảng an toàn nhiệt giữa các loại hóa học này lên tới khoảng 100 độ C. Và đây là một điểm quan trọng khác: ngay cả khi xảy ra sự cố với một tế bào LFP, năng lượng giải phóng trong các sự kiện hỏng hóc cũng thấp hơn đáng kể so với các loại pin khác, nhờ đó các sự cố nói chung ít nghiêm trọng và tàn phá hơn trong các ứng dụng thực tế.

Sự kết hợp này—làm chậm thời điểm khởi phát và giảm lượng nhiệt sinh ra (khoảng một nửa so với các hóa học dựa trên niken)—đem lại nhiều thời gian hơn cho các hệ thống bảo vệ phản ứng và giảm đáng kể khả năng lan rộng ngọn lửa trong các hệ thống lưu trữ pin thương mại.

Kỹ thuật an toàn ở cấp độ hệ thống trong các hệ thống lưu trữ pin LFP thương mại

Mặc dù tính ổn định nội tại của LFP là nền tảng, các ứng dụng thương mại thực tế đòi hỏi kỹ thuật an toàn ở cấp độ hệ thống vững chắc để quản lý các rủi ro còn tồn tại—bao gồm sự cố điện, điều kiện nhiệt độ môi trường cực đoan và ứng suất cơ học. Các nhà sản xuất hàng đầu tích hợp các hệ thống kiểm soát nhiệt đã được xác thực, bao che cấu trúc và thiết kế buồng chứa tuân thủ quy định nhằm vượt quá các tiêu chuẩn an toàn cơ bản.

Quản lý nhiệt đã được xác thực theo tiêu chuẩn UL 9540A: Thiết kế thụ động, làm mát chủ động và dập tắt ở cấp độ tế bào

Quản lý nhiệt đã được xác thực theo tiêu chuẩn UL 9540A sử dụng ba lớp bổ trợ lẫn nhau:

• Thiết kế bị động , sử dụng vật liệu chuyển pha để hấp thụ các đỉnh nhiệt đột ngột mà không cần cung cấp năng lượng;
• Làm mát chủ động , thông qua hệ thống làm mát bằng chất lỏng hoặc làm mát bằng khí cưỡng bức, duy trì nhiệt độ tế bào ở mức tối ưu trong khoảng 15–35°C dưới mọi điều kiện tải và nhiệt độ môi trường khác nhau;
• Dập tắt ở cấp độ tế bào , nhằm nhanh chóng khống chế các sự cố nhiệt cục bộ trước khi chúng lan rộng.
  Cùng nhau, những chiến lược này đã được kiểm chứng trong các điều kiện lạm dụng cực đoan—bao gồm cả việc xuyên kim loại và gia nhiệt từ bên ngoài—để giới hạn sự cố trong phạm vi từng tế bào riêng lẻ, ngăn ngừa hiện tượng mất kiểm soát nhiệt dây chuyền (thermal runaway) lan rộng sang các mô-đun khác.

Các chiến lược thiết kế buồng chứa tuân thủ tiêu chuẩn NFPA 855: Thông gió, cách ly và ngăn chặn cháy nổ cho hệ thống lưu trữ năng lượng pin thương mại và công nghiệp (C&I BESS)

Các hệ thống lưu trữ năng lượng pin thương mại và công nghiệp (C&I BESS) phải tuân thủ tiêu chuẩn NFPA 855, quy định yêu cầu về buồng chứa được thiết kế kỹ thuật nhằm giảm thiểu rủi ro leo thang sự cố. Các tính năng chính bao gồm:

• Các tấm thông gió chống nổ, giúp dẫn hướng an toàn các khí thoát ra khỏi khu vực nhân viên và thiết bị lân cận;
• Phân vùng chống cháy—các cụm pin được cách ly cứ sau mỗi 20 kWh nhằm hạn chế sự lan rộng của đám cháy;
• Rào cản nhiệt gốm giúp làm chậm quá trình truyền nhiệt dẫn nhiệt sang các cấu trúc lân cận trong hơn hai giờ.
  Dữ liệu hiệu suất thực tế từ hơn 12.000 lắp đặt tuân thủ quy chuẩn cho thấy tỷ lệ sự cố liên quan đến cháy giảm tới 98% so với các cấu hình không tuân thủ, qua đó khẳng định giá trị của các biện pháp bảo vệ vật lý phù hợp với quy chuẩn kỹ thuật.

Các quy trình an toàn vận hành đặc thù dành riêng cho hệ thống lưu trữ pin LFP thương mại

Bảo vệ đa lớp: Giám sát quá dòng, giám sát cách điện và độ bền cơ học do BMS điều khiển

Hệ thống lưu trữ pin LFP thương mại dựa trên bộ ba biện pháp bảo vệ vận hành phụ thuộc lẫn nhau—mỗi biện pháp đều được kiểm định độc lập và phối hợp tập thể thông qua Hệ thống quản lý pin tiên tiến (BMS):

• Giám sát quá dòng và điện áp : Phát hiện thời gian thực các bất thường sẽ kích hoạt ngay lập tức việc cách ly mạch, ngăn ngừa tình trạng quá tải nhiệt do ngắn mạch;
• Giám sát điện trở cách điện phát hiện sự cố chạm đất ở mức thấp tới 0,5 mA—điều kiện thiết yếu trong các môi trường công nghiệp ẩm ướt, nhiều bụi hoặc giàu muối, nơi các đường rò rỉ thường xuyên xuất hiện;
• Độ bền cơ học giá đỡ giảm rung, vỏ bọc chống nghiền và hệ thống gia cố chống động đất giúp duy trì độ bền cấu trúc trong suốt quá trình vận chuyển, lắp đặt và vận hành lâu dài.
  Các giao thức này đáp ứng yêu cầu UL 1973 đối với hệ thống lưu trữ năng lượng cố định và cùng nhau đạt tỷ lệ phòng ngừa sự cố đã được kiểm chứng thực tế tại hiện trường là 99,99% trong các triển khai thương mại—đảm bảo cả an toàn và tính liên tục vận hành.

Hiệu suất an toàn đã được kiểm chứng thực tế của hệ thống lưu trữ pin LFP trong các triển khai thương mại thực tế

Độ tin cậy và hồ sơ an toàn của hệ thống lưu trữ pin LFP ngày càng được củng cố mạnh mẽ trong mọi loại môi trường thương mại, từ các trạm biến áp lưới điện quy mô lớn đến những trạm viễn thông xa xôi lẻ loi giữa chốn hoang dã. Khi các cơn bão lớn đổ bộ và lưới điện bị mất—hãy nghĩ đến những cơn bão nhiệt đới hoặc những trận bão tuyết mùa đông khắc nghiệt—các bệnh viện và trung tâm ứng phó khẩn cấp được trang bị hệ thống dự phòng pin LFP vẫn hoạt động liên tục hơn 96 giờ đồng hồ mà không gặp bất kỳ sự cố nào. Không xảy ra cháy, cũng không có hiện tượng quá nhiệt. Phần lớn các hệ thống lắp đặt này thường xuyên vượt qua thành công các bài kiểm tra chống cháy nghiêm ngặt UL 9540A và đáp ứng đầy đủ mọi yêu cầu do NFPA 855 quy định. Nhìn ở góc độ tổng quan hơn, toàn ngành ghi nhận tỷ lệ hỏng hóc thấp hơn một lần trên 10.000 đơn vị kể từ năm 2021. Các công ty viễn thông cũng kể những câu chuyện tương tự. Các trạm phát sóng mạng lưới của họ trên toàn thế giới (chúng tôi đang nói tới hơn 15.000 địa điểm) chưa từng ghi nhận một trường hợp nào xảy ra hiện tượng chạy nhiệt ngoài kiểm soát (thermal runaway). Họ ghi nhận thành tích ấn tượng này là nhờ khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt rất tốt của pin LFP, khả năng sạc/xả sâu nhiều lần và vẫn vận hành ổn định ngay cả khi để sạc trong thời gian dài. Toàn bộ những kinh nghiệm thực tế này cho thấy rõ ràng rằng pin LFP không chỉ an toàn hơn trên lý thuyết—mà thực tế còn hoạt động vượt trội hơn trong những điều kiện phức tạp, khó lường mà các hệ thống lưu trữ năng lượng thương mại phải đối mặt mỗi ngày.

Câu hỏi thường gặp về pin LFP

Tại sao pin LFP được coi là an toàn hơn pin NMC hoặc NCA?

Pin LFP có cấu trúc tinh thể olivin giúp giữ chặt các nguyên tử oxy, giảm thiểu nguy cơ giải phóng oxy và mất kiểm soát nhiệt — những yếu tố chính gây cháy nổ trong các loại pin khác như NMC hoặc NCA.

Lợi thế về độ ổn định nhiệt của pin LFP là gì?

Pin LFP có thể chịu được nhiệt độ lên tới 270–300 độ C, trong khi pin NMC/NCA bắt đầu mất kiểm soát nhiệt ở khoảng 150–200 độ C. Điều này tạo ra một khoảng đệm an toàn đáng kể.

Hệ thống quản lý pin (BMS) đóng vai trò gì trong việc đảm bảo an toàn cho pin LFP?

BMS cung cấp giám sát thời gian thực đối với dòng điện quá tải và điện áp, điện trở cách điện, đồng thời đảm bảo độ bền cơ học, từ đó bổ sung nhiều lớp bảo vệ nhằm hỗ trợ tính ổn định vốn có của hóa học pin LFP.

Việc tuân thủ các tiêu chuẩn như UL 9540A và NFPA 855 được đảm bảo như thế nào?

Các hệ thống pin LFP được thiết kế với hệ thống quản lý nhiệt đã được xác thực và các vỏ bọc đáp ứng quy chuẩn để đạt được các tiêu chuẩn ngành nghiêm ngặt này, từ đó giảm đáng kể các sự cố liên quan đến cháy nổ trong các triển khai thương mại.