Які функції безпеки має блок літій-залізо-фосфатного (LFP) акумулятора порівняно з іншими?

Внутрішня термічна стабільність: як олівинова структура LFP запобігає тепловому некерованому розширенню

Стабільні P-O ковалентні зв'язки та утримання кисню під час термічного навантаження

Акумулятори LFP, відомі також як літій-залізо-фосфатні, мають особливу оливінову кристалічну структуру, яка утримується дуже міцними зв'язками P-O — одними з найміцніших у хімії літій-іонних акумуляторів. Ці зв'язки допомагають утримувати кисень на місці навіть за високих температур, наприклад понад 250 градусів Цельсія. Порівняйте це з іншими типами, такими як NMC, NCA або LCO-акумулятори, де кисень починає виділятися вже приблизно за 200 градусів. Ось чому це важливо: вільний кисень може фактично підживлювати небезпечні хімічні реакції, що призводять до пожеж. Оскільки LFP не так легко виділяє кисень, він практично припиняє весь ланцюговий процес, який призводить до займання акумуляторів. Це означає, що навіть якщо трапиться збій і акумулятор сильно нагріється або виникне внутрішнє коротке замикання, елементи LFP не почнуть пожежу, яка самопоширюється. Це робить їх набагато безпечнішими для важливих застосувань, де надійність є ключовою, наприклад для зберігання енергії від сонячних панелей на великомасштабних установках або для живлення електромобілів.

Вища температура початку теплового пробою (~270°C) порівняно з NMC/NCA (~210°C) та LCO

Катоди LFP починають тепловий пробій близько 270 градусів Цельсія, що на приблизно 60 градусів вище, ніж у катодів NMC/NCA та LCO, які стають нестабільними біля 210 градусів. Цей додатковий запас температури у 28% — це не просто незначна різниця. Насправді він дає системам безпеки цінні додаткові секунди, щоб виявити проблему й вжити заходів до того, як ситуація вийде з-під контролю. Дослідження електрохімічної стабільності показують чіткий зв'язок між цією температурною розбіжністю та меншою кількістю пожеж у реальних установках. Це особливо важливо в місцях, де температура протягом доби значно коливається, або коли резервні системи охолодження недоступні.

Висока стійкість до екстремальних умов: продуктивність LFP за механічних навантажень

Стійкість до проколу та стискання без займання чи поширення полум'я

Батарейні блоки LFP вирізняються своєю стійкістю до фізичних навантажень, оскільки їхній катод олівінової структури не схильний до руйнування. Під час стандартних тестів на проникнення цвяхом діаметром 3 мм зі швидкістю 10 мм/с або стискання силами понад 100 кН ці батареї просто не загоряються, не виділяють диму чи полум'я. Навіть у гірших сценаріях — перезаряджання чи попереднього нагрівання — небезпечних наслідків не виникає. Причина такої надзвичайної міцності полягає в хімічному складі LFP. Міцні зв'язки між фосфором і киснем залишаються стабільними аж до температури близько 270 градусів Цельсія, що означає відсутність виділення кисню, який може підживлювати горіння, як це трапляється з нікелевмісними аналогами. Реальні випробування багаторазово підтверджують те, що вже показали лабораторні дослідження. Модулі LFP продовжують нормально функціонувати електрично та зберігати структурну цілісність навіть після перевищення граничних умов, таких як перезарядження на 130 відсотків або ударні навантаження, еквівалентні 50G. Проблеми, як правило, обмежуються окремими елементами й не поширюються на весь блок.

Мінімальне виділення газу та низьке поширення полум'я під час випробувань проникнення цвяхом

Під час випробувань UL 1642 на проникнення цвяхом, елементи LFP виділяють значно менше небезпечних газів і не мають тривалого полум'я у порівнянні з кобальтовими або нікелевими аналогами:

Відсутність шляхів руйнування палаючого електроліту означає, що під час звичайної роботи не відбувається осадження металевого літію, що забезпечує загальну енергію згоряння нижче 10% у порівнянні з аналогічними елементами NMC. Додавання клапанів зняття тиску разом із внутрішніми вогнетривкими перегородками гарантує, що полум'я не поширюватиметься за межі несправного елемента. Ця функція утримання має особливе значення для акумуляторів, що щільно розташовані один до одного в накопичувальних пристроях або батарейних блоках електромобілів, де допуски безпеки мають бути мінімальними.

Перевага катодної хімії: чому LFP безпечніший, ніж інші літієві та свинцево-кислотні акумулятори

Те, що робить LFP (літій-залізо-фосфат) таким безпечним, починається вже на атомному рівні. Катод олівинового фосфату має стабільні зв'язки P-O замість нестабільних шарів метал-кисень, притаманних іншим матеріалам. Візьмемо, наприклад, катоди NMC або NCA. Їхні оксиди нікелю та кобальту схильні руйнуватися при температурі близько 210 градусів Цельсія, виділяючи кисень. Але LFP залишається стабільним аж до приблизно 270 °C, що практично усуває одну з основних причин теплового пробігу. Порівнюючи зі старими свинцево-кислотними акумуляторами, у LFP просто немає таких самих ризиків. Немає жодної загрози витоку сульфатної кислоти, під час заряджання не виділяється водень, і точно немає ризику корозії контактів та виникнення дугових іскр. І ось ще одна велика перевага, про яку ніхто достатньо не говорить: у LFP абсолютно відсутній кобальт. Кобальт пов’язаний з численними проблемами, зокрема реакціями виділення кисню та швидким тепловим розкладанням у багатьох типах літієвих акумуляторів. Усі ці вбудовані хімічні переваги роблять LFP унікальним серед інших, особливо важливим для місць, де найвищі вимоги до безпеки, система має працювати довго, а відмови мають відбуватися передбачувано, а не раптово.

Інтеграція безпеки на рівні системи: BMS, PCM та механічна конструкція в акумуляторних батареях LFP

Розумні функції BMS, адаптовані для плоскої кривої напруги LFP та широкого діапазону SOC

Унікальна номіналана напруга 3,2 В та плоска крива розряду акумуляторів LFP ускладнюють їх використання, оскільки вони зберігають працездатний заряд від приблизно 20% аж до 100%. Звичайні методи оцінки рівня заряду не підходять, адже протягом більшої частини циклу використання між ними практично немає різниці в напрузі. Саме тому найкращі системи акумуляторів LFP поєднують кілька підходів: підрахунок фактичного заряду, що проходить через них, відстеження змін напруги з урахуванням температурних коливань, а також використання розумних алгоритмів навчання, які з часом стають точнішими. Такі системи зазвичай забезпечують точність вимірювань у межах ±3%. Компонент PCM також відіграє важливу роль, встановлюючи жорсткі межі для кожної окремої банки. Якщо напруга в банках перевищує 3,65 В або падає нижче 2,5 В, відразу спрацьовують ключі на польових транзисторах (MOSFET), щоб запобігти небезпечним хімічним реакціям, таким як осадження літію або розчинення міді. Підтримання таких суворих обмежень — це не просто добре правило, а абсолютно необхідна умова, якщо виробники хочуть досягти заявленого терміну служби в 6000 циклів і забезпечити безпеку та стабільність в різних умовах експлуатації.

Механічні заходи безпеки: корпуси з класом захисту IP67, клапани скидання тиску та матеріали, які не підтримують горіння

Безпека у пакетах літій-залізо-фосфатних (LFP) акумуляторів забезпечується завдяки кільком рівням захисту, які працюють разом. Зовнішній корпус із алюмінію класу IP67 захищає від вологи та пилу, що робить їх придатними як для зовнішнього монтажу, так і для використання в рухомих транспортних засобах. Усередині спеціальні перегородки з матеріалів UL94 V-0 запобігають поширенню полум'я між елементами. Хоча LFP-акумулятори виділяють приблизно на 86 відсотків менше газу порівняно з нікель-марганець-кобальтом (NMC) у разі неправильного поводження, у них є вбудовані клапани скидання тиску, які спрацьовують приблизно за 15–20 psi, щоб уникнути небезпечних розривів. У разі екстремальних температур задіюються бар’єри з керамічного волокна. Вони витримують температуру до 1200 градусів Цельсія і фактично уповільнюють передачу тепла до сусідніх елементів понад півгодини. Усі ці заходи безпеки не лише відповідають суворим вимогам транспортування UN38.3, але й дозволяють безпечно встановлювати ці акумулятори в обмежених просторах, де може перебувати багато людей.

ЧаП

Що таке тепловий пробій у акумуляторах?

Тепловий пробій — це ситуація, коли акумулятор піддається неконтрольованим внутрішнім реакціям, що часто призводить до надмірного виділення тепла та потенційно може спричинити пожежу або вибух.

Чому акумулятори LFP вважаються безпечнішими?

Акумулятори LFP мають стабільну олівинову структуру з міцними зв'язками P-O, які запобігають виділенню кисню при високих температурах, зменшуючи ризик теплового пробою та пожежі.

Як акумулятори LFP реагують на механічні навантаження?

Акумулятори LFP демонструють високу міцність під дією механічних навантажень і не загоряються під час тестів на проколювання чи стискання завдяки надійній хімічній та фізичній конструкції.

Які заходи безпеки передбачені в акумуляторних блоках LFP?

Акумуляторні блоки LFP оснащені розумними функціями BMS, корпусами з класом захисту IP67, клапанами скидання тиску та матеріалами, які не підтримують горіння, що забезпечує підвищену безпеку та стабільність.