แพ็คแบตเตอรี่ LFP มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยอะไรบ้างเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ประเภทอื่น

เสถียรภาพเชิงความร้อนโดยธรรมชาติ: โครงสร้างโอลิวีนของ LFP ป้องกันการเกิด thermal runaway ได้อย่างไร

พันธะโคเวเลนต์ P-O ที่มีเสถียรภาพและการกักเก็บออกซิเจนภายใต้ภาวะเครียดจากความร้อน

แบตเตอรี่ LFP หรือที่รู้จักกันในชื่อ Lithium Iron Phosphate มีโครงสร้างผลึกพิเศษแบบโอลิวีน ซึ่งยึดเกาะกันด้วยพันธะ P-O ที่แข็งแรงมาก และถือเป็นหนึ่งในพันธะที่ทนทานที่สุดในทางเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียม พันธะเหล่านี้ช่วยยึดออกซิเจนให้อยู่กับที่ได้แม้อุณหภูมิจะสูงมาก เช่น เกิน 250 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ประเภทอื่นๆ เช่น NMC, NCA หรือ LCO ที่เริ่มปล่อยออกซิเจนออกมาที่ประมาณ 200 องศาเซลเซียสเท่านั้น นี่คือเหตุผลสำคัญที่ทำให้แตกต่างกัน: ออกซิเจนที่หลุดออกมาอาจกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีอันตรายที่นำไปสู่การเกิดเพลิงไหม้ได้ เนื่องจาก LFP ไม่ปล่อยออกซิเจนออกมาได้ง่าย จึงแทบจะหยุดยั้งปฏิกิริยาลูกโซ่ทั้งหมดที่ทำให้แบตเตอรี่เกิดไฟลุกไหม้ได้ หมายความว่าแม้จะเกิดข้อผิดพลาด เช่น แบตเตอรี่ร้อนจัดมาก หรือเกิดวงจรลัดวงจรภายใน ก็ตาม เซลล์ LFP จะไม่ก่อให้เกิดเพลิงไหม้ที่ลุกลามต่อเนื่องด้วยตัวเอง ส่งผลให้มีความปลอดภัยสูงกว่ามากสำหรับการใช้งานที่สำคัญซึ่งต้องอาศัยความน่าเชื่อถือ เช่น การจัดเก็บพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์ในโครงการขนาดใหญ่ หรือการขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้า

อุณหภูมิเริ่มต้นการเกิดความร้อนสูงเกินควบคุมที่สูงกว่า (~270°C) เมื่อเทียบกับ NMC/NCA (~210°C) และ LCO

ขั้วแคโทด LFP เริ่มเข้าสู่ภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมที่ประมาณ 270 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าขั้วแคโทด NMC/NCA และ LCO ที่มักจะไม่เสถียรใกล้ระดับ 210 องศาอยู่ประมาณ 60 องศา ส่วนต่างของอุณหภูมิที่มากขึ้นถึง 28% นี้ไม่ใช่ความแตกต่างเพียงเล็กน้อย แต่มันให้เวลาเพิ่มเติมอันมีค่าแก่ระบบความปลอดภัยในการตรวจจับปัญหาและดำเนินการก่อนที่สถานการณ์จะลุกลามควบคุมไม่ได้ การศึกษาด้านเสถียรภาพทางอิเล็กโทรเคมีแสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงอย่างชัดเจนระหว่างช่องว่างอุณหภูมินี้กับจำนวนเหตุเพลิงไหม้ที่ลดลงในติดตั้งจริง ซึ่งมีความสำคัญโดยเฉพาะในพื้นที่ที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงขึ้นลงตลอดทั้งวัน หรือเมื่อไม่มีระบบระบายความร้อนสำรอง

ทนต่อการใช้งานผิดวิธีได้ดี: สมรรถนะของ LFP ภายใต้แรงเครียดทางกล

ทนต่อการถูกเจาะและแรงบดอัดโดยไม่เกิดการลุกไหม้หรือการลุกลามของไฟ

ชุดแบตเตอรี่ LFP มีความโดดเด่นในด้านการทนต่อแรงเครียดทางกายภาพ เนื่องจากขั้วบวกแบบโอลิวีนของมันไม่สลายตัวได้ง่าย เมื่อผ่านการทดสอบเจาะด้วยตะปูเส้นผ่าศูนย์กลาง 3 มม. ที่ความเร็ว 10 มม./วินาที หรือถูกบดอัดด้วยแรงเกินกว่า 100 กิโลนิวตัน แบตเตอรี่เหล่านี้จะไม่ลุกไหม้ ไม่ปล่อยควัน หรือไม่เกิดเปลวไฟ แม้ในสถานการณ์เลวร้ายกว่านั้น เช่น การชาร์จเกินขนาด หรือสัมผัสกับอุณหภูมิสูงมาก่อน ก็ยังไม่ก่อให้เกิดอันตรายใดๆ สาเหตุของความทนทานที่น่าทึ่งนี้อยู่ที่องค์ประกอบทางเคมีของ LFP พันธะฟอสฟอรัส-ออกซิเจนที่แข็งแรงจะคงตัวอยู่จนถึงประมาณ 270 องศาเซลเซียส ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีการปล่อยออกซิเจนออกมาเพื่อเร่งการเผาไหม้ เหมือนที่เกิดขึ้นกับแบตเตอรี่ชนิดที่มีนิกเกิลสูง การทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริงยืนยันสิ่งที่ผลการทดลองในห้องปฏิบัติการชี้ให้เห็นมาแล้วหลายครั้ง โมดูล LFP ยังคงทำงานได้อย่างปกติทางด้านไฟฟ้า และรักษาโครงสร้างไว้ได้แม้จะถูกใช้งานเกินขีดจำกัดปกติ เช่น สภาวะการชาร์จเกิน 130 เปอร์เซ็นต์ หรือประสบกับแรงกระแทกเทียบเท่ากับแรง 50G ปัญหาโดยทั่วไปมักจะถูกจำกัดอยู่ภายในเซลล์เดียว แทนที่จะลุกลามไปทั่วชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด

การสร้างก๊าซต่ำมากและการลุกลามของเปลวไฟน้อยในการทดสอบการเจาะด้วยตะปู

ในการทดสอบการเจาะด้วยตะปูตามมาตรฐาน UL 1642 เซลล์ LFP มีการปล่อยก๊าซอันตรายออกมาน้อยกว่าอย่างมาก และไม่มีเปลวไฟที่ลุกไหม้ต่อเนื่อง เมื่อเทียบกับทางเลือกที่ใช้โคบอลต์หรือนิกเกิล:

การขาดเส้นทางการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ หมายความว่าจะไม่มีการเคลือบลิเธียมโลหะระหว่างการทำงานปกติ ซึ่งทำให้พลังงานการเผาไหม้โดยรวมต่ำกว่า 10% เมื่อเทียบกับเซลล์ NMC ที่คล้ายกัน การเพิ่มช่องระบายแรงดันร่วมกับอุปสรรคดับเพลิงภายใน จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าเปลวเพลิงจะไม่ลุกลามออกไปนอกเซลล์ที่มีปัญหาเอง คุณสมบัติการกักเก็บนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ที่จัดเรียงอย่างแน่นหนาในหน่วยจัดเก็บหรือชุดแบตเตอรี่ยานพาหนะไฟฟ้า ซึ่งต้องการระยะปลอดภัยที่จำกัด

ข้อได้เปรียบทางเคมีของแคโทด: เหตุใด LFP จึงปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมและแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบอื่น

สิ่งที่ทำให้แบตเตอรี่ LFP (ลิเธียม เฟอร์ไรด์ ฟอสเฟต) มีความปลอดภัยนั้นเริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ระดับอะตอมเลยทีเดียว แคโทดชนิดโอลิวีนฟอสเฟตมีพันธะ P-O ที่มีเสถียรภาพ แทนที่ชั้นโลหะ-ออกซิเจนที่ไม่คงตัวซึ่งพบในวัสดุอื่นๆ ยกตัวอย่างเช่น แคโทด NMC หรือ NCA ออกไซด์ของนิกเกิลและโคบอลต์มีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพเมื่ออุณหภูมิสูงถึงประมาณ 210 องศาเซลเซียส พร้อมปล่อยออกซิเจนออกมา แต่ LFP จะยังคงโครงสร้างเดิมไว้ได้จนถึงประมาณ 270 องศาเซลเซียส ซึ่งหมายความว่าลดปัจจัยหลักที่อาจก่อให้เกิดปัญหาการลุกลามทางความร้อน (thermal runaway) ไปได้โดยปริยาย เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบดั้งเดิมแล้ว LFP ไม่มีความเสี่ยงเหล่านั้นเลย ไม่ต้องกังวลเรื่องการรั่วไหลของกรดซัลฟิวริก ไม่มีการปล่อยก๊าซไฮโดรเจนระหว่างการชาร์จ และแน่นอนว่าไม่มีโอกาสที่ขั้วแบตเตอรี่จะกัดกร่อนจนเกิดประกายไฟได้อีกด้วย และนี่คืออีกหนึ่งข้อดีสำคัญที่คนมักไม่พูดถึงมากพอ นั่นคือไม่มีโคบอลต์เลยสักนิด โคบอลต์นั้นเกี่ยวข้องกับปัญหามากมาย เช่น การผลิตออกซิเจนและการเสื่อมสภาพจากความร้อนที่รวดเร็วในลิเธียมแบตเตอรี่หลายประเภท ข้อดีทางเคมีในตัวทั้งหมดนี้ทำให้ LFP แตกต่างจากแบตเตอรี่อื่นอย่างชัดเจน โดยเฉพาะในสถานที่ที่ความปลอดภัยมีความสำคัญสูงสุด ระบบที่ต้องใช้งานยาวนานตลอดอายุการใช้งาน และความล้มเหลวควรเกิดขึ้นอย่างคาดการณ์ได้ ไม่ใช่แบบไม่คาดคิด

การรวมระบบความปลอดภัยระดับระบบ: BMS, PCM และการออกแบบเชิงกลในชุดแบตเตอรี่ LFP

ฟังก์ชัน BMS อัจฉริยะที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับเส้นโค้งแรงดันแบบราบเรียบและช่วง SOC กว้างของ LFP

แรงดันไฟฟ้าเฉพาะที่ 3.2 โวลต์ และเส้นโค้งการคายประจุแบบราบเรียบของแบตเตอรี่ LFP ทำให้การใช้งานมีความยุ่งยาก เนื่องจากสามารถรักษาประจุที่ใช้งานได้ตั้งแต่ประมาณ 20% ไปจนถึง 100% วิธีการปกติในการประมาณสถานะการประจุจึงไม่เพียงพอ เนื่องจากมีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยตลอดรอบการใช้งานส่วนใหญ่ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมระบบแบตเตอรี่ LFP ระดับสูงจึงรวมหลายแนวทางเข้าด้วยกัน ทั้งการนับปริมาณประจุจริงที่ไหลผ่าน การติดตามการเปลี่ยนแปลงแรงดันโดยคำนึงถึงอุณหภูมิที่แปรปรวน รวมถึงอัลกอริทึมอัจฉริยะที่พัฒนาขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ระบบทั้งเหล่านี้มักมีความแม่นยำอยู่ในช่วง ±3% สำหรับค่าที่แสดง ส่วนประกอบ PCM มีบทบาทสำคัญเช่นกัน โดยกำหนดขอบเขตที่ชัดเจนสำหรับแต่ละเซลล์ เมื่อเซลล์มีแรงดันเกิน 3.65 โวลต์ หรือต่ำกว่า 2.5 โวลต์ ตัวสวิตช์ MOSFET จะทำงานทันที เพื่อป้องกันปฏิกิริยาทางเคมีที่อันตราย เช่น การเคลือบลิเธียม (lithium plating) หรือการละลายของทองแดง (copper dissolving) การควบคุมอย่างเข้มงวดเช่นนี้ไม่ใช่เพียงแค่แนวทางปฏิบัติที่ดี แต่จำเป็นอย่างยิ่งหากผู้ผลิตต้องการบรรลุจำนวนรอบการใช้งานยาวนานถึง 6,000 รอบ พร้อมคงความปลอดภัยและความเสถียรภายใต้เงื่อนไขการใช้งานที่หลากหลาย

อุปกรณ์ป้องกันทางกล: ตู้เครื่องที่ได้รับการจัดอันดับ IP67, ช่องระบายแรงดัน, และวัสดุที่ทนไฟ

ความปลอดภัยในชุดแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) มาจากการทำงานร่วมกันของหลายชั้นป้องกัน โครงหุ้มด้านนอกที่ทำจากอลูมิเนียมซึ่งได้รับการจัดอันดับ IP67 ช่วยป้องกันความชื้นและฝุ่น ทำให้เหมาะสมสำหรับการติดตั้งกลางแจ้งและยานพาหนะที่กำลังเคลื่อนที่ ภายใน มีแผ่นกั้นพิเศษที่สร้างจากวัสดุ UL94 V-0 ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้ไฟลุกลามระหว่างเซลล์ แม้ว่าแบตเตอรี่ LFP จะผลิตก๊าสน้อยกว่าประมาณ 86 เปอร์เซ็นต์เมื่อเปรียบเทียบกับนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ (NMC) ในกรณีที่จัดการผิดพลาด แต่ก็มีวาล์วระบายแรงดันในตัวที่จะทำงานที่แรงดันประมาณ 15 ถึง 20 psi เพื่อป้องกันการระเบิดที่อันตราย เมื่อเผชิญกับสถานการณ์ความร้อนสูงมาก จะมีอุปสรรคจากเส้นใยเซรามิกเข้ามาช่วย ซึ่งสามารถทนอุณหภูมิได้สูงถึง 1,200 องศาเซลเซียส และยังช่วยชะลอการถ่ายเทความร้อนไปยังเซลล์ใกล้เคียงได้นานกว่าครึ่งชั่วโมง มาตรการความปลอดภัยทั้งหมดเหล่านี้ไม่เพียงแต่เป็นไปตามข้อกำหนดการขนส่ง UN38.3 ที่เข้มงวดเท่านั้น แต่ยังทำให้สามารถติดตั้งแบตเตอรี่เหล่านี้ได้อย่างปลอดภัยในพื้นที่แคบที่อาจมีผู้คนจำนวนมากอยู่พร้อมกัน

คำถามที่พบบ่อย

การเกิดภาวะความร้อนล้นในแบตเตอรี่คืออะไร

ภาวะความร้อนล้นคือสถานการณ์ที่แบตเตอรี่เกิดปฏิกิริยาภายในอย่างไม่สามารถควบคุมได้ มักนำไปสู่การสร้างความร้อนมากเกินไป และอาจทำให้เกิดไฟไหม้หรือระเบิดได้

เหตุใดแบตเตอรี่ LFP จึงถือว่ามีความปลอดภัยมากกว่า

แบตเตอรี่ LFP มีโครงสร้างโอลิวีนที่เสถียรพร้อมพันธะ P-O ที่แข็งแรง ซึ่งช่วยป้องกันการปล่อยออกซิเจนที่อุณหภูมิสูง ลดความเสี่ยงของการเกิดภาวะความร้อนล้นและไฟไหม้

แบตเตอรี่ LFP ทนต่อแรงทางกลได้อย่างไร

แบตเตอรี่ LFP แสดงความทนทานที่แข็งแกร่งภายใต้แรงทางกล โดยไม่เกิดการลุกไหม้ระหว่างการทดสอบการทิ่มหรือการบดอัด เนื่องจากออกแบบทางเคมีและกายภาพที่แข็งแรง

มีมาตรการความปลอดภัยใดบ้างที่ติดตั้งในชุดแบตเตอรี่ LFP

ชุดแบตเตอรี่ LFP มีฟังก์ชัน BMS อัจฉริยะ ตัวเรือนที่ได้มาตรฐาน IP67 ช่องระบายแรงดัน และวัสดุที่ไม่ติดไฟ เพื่อเพิ่มความปลอดภัยและความเสถียร