Bezpečnost baterií: co se stane, když se zahřejí

Představte si kontejner BESS umístěný v průmyslové zóně, vedle haly, kde každý den pracují desítky lidí. Uvnitř jsou stovky článků, které akumulují energii. Za normálních okolností vše funguje bez problémů. Co se ale stane, když se některý článek začne nadměrně zahřívat? Právě v takovém případě bezpečnost baterií přestává být abstraktním tématem a stává se konkrétní odpovědností pro ty, kdo zařízení navrhují, instalují a provozují.

V tomto článku odpovídáme na jednoduchou, ale zásadní otázku: jak bezpečná je baterie a co ji činí bezpečnou? Stručně řečeno, odpověď zní, že bezpečnost vychází především z chemického složení a teprve poté z elektroniky.

Termální únik vysvětlený jednoduše

Na stránkách tepelné přehřátí — v italštině “fuga termica” — je řetězová reakce, které se v baterii všichni snaží zabránit. Funguje to takto: jeden článek se přehřeje, po překročení určité prahové hodnoty se vnitřní chemické reakce samy zrychlí, teplo dále stoupá a proces se sám udržuje, aniž by se zastavil.

Představte si hrnec na sporáku, který se po překročení určité teploty dále zahřívá, i když plamen zhasnete. V nejhorším případě článek uvolní plyn, vznítí se a může strhnout i sousední články. Typickými příčinami jsou vnitřní vada, mechanické poškození, nesprávné nabíjení nebo příliš vysoká okolní teplota.

Klíčová věc je tato: ne všechny chemické látky reagují stejným způsobem. Některé se začínají “rozpadat” již při relativně nízkých teplotách, jiné zůstávají stabilní mnohem déle.

Proč jsou některé chemické látky stabilnější než jiné

Jádro problému spočívá v katodě, tedy v jednom z aktivních materiálů článku. Během tepelného úniku některé katody uvolňují kyslík: je to jako nalít benzín do ohně, protože kyslík podporuje hoření zevnitř. Jiné katody, které mají stabilnější chemickou strukturu, mají tendenci kyslík zadržovat a reakci tak nepodporují.

Takzvané chemikálie polianionické — do této rodiny patří i mnoho sodíkových iontových článků — mají krystalickou strukturu, v níž jsou atomy kyslíku pevně vázány. To obecně vede k nižší sklon k uvolňování kyslíku a k vyšší zapalovací teplotě. Neznamená to “nulové riziko”, ale větší bezpečnostní rezervu.

Přesné zapalovací teploty a srovnávací údaje mezi chemickými skupinami se značně liší v závislosti na konstrukci článku a je vždy nutné je ověřit v technických specifikacích výrobce [OVĚŘIT: zapalovací teploty a údaje o tepelné stabilitě katody].

Tři faktory, které ovlivňují bezpečnost baterií

Při posuzování bezpečnosti akumulátoru hrají tři parametry důležitější roli než ostatní:

• Teplota vznícení: prahová hodnota, při jejímž překročení dochází k úniku tepla. Čím je vyšší, tím větší je rezerva, než dojde k problému.
• Uvolňování kyslíku z katody: do jaké míry chemická reakce sama o sobě podporuje hoření. Čím méně kyslíku se uvolňuje, tím méně intenzivní je reakce.
• Šíření mezi buňkami: schopnost “unikající” buňky nakazit sousední buňky. Dobře navržený akumulátorový blok tento problém izoluje, místo aby ho nechal se šířit.

Tyto tři faktory dohromady vypovídají mnohem více než jedno číslo z technického listu. Článek s vysokou spouštěcí teplotou a nízkým uvolňováním kyslíku má již od počátku strukturální výhodu.

Proč je bezpečnost v blízkosti lidí tak zásadní

La bezpečnost BESS nemá ve všech situacích stejnou váhu. Jedna věc je izolované zařízení na otevřeném prostranství, jiná věc je akumulační zařízení instalované v místě, kde se nacházejí lidé, majetek a probíhají různé činnosti.

Zamysli se nad těmito scénáři:

• Zařízení bytové, často v garážích, sklepech nebo technických místnostech jen pár metrů od obytných prostor.
• Shromažďuje se v haly a výrobní činnosti, kde se toto riziko sčítá s průmyslovým rizikem.
• Kontejner BESS v průmyslových oblastech, kde se na malém prostoru soustřeďují desítky či stovky kWh.

Ve všech těchto případech znamená snížení rizika již v počáteční fázi – výběrem stabilnější chemické látky – ochranu nejen investice, ale i těch, kteří žijí a pracují v blízkosti zařízení. Právě proto je pro projektanta nebo vedoucího bezpečnosti výběr chemické látky strategickým rozhodnutím, nikoli pouhým detailem.

Úloha systému BMS, návrh akumulátorového modulu a certifikace

Chemie představuje první linii obrany, ale nefunguje sama o sobě. Kolem buňky existují další úrovně ochrany.

Na stránkách BMS (Battery Management System) je elektronický systém, který neustále monitoruje napětí, proud a teplotu každého článku. Zasahuje ještě před překročením kritických prahových hodnot, vyvažuje nabíjení a v případě poruchy odpojí systém. Jedná se o “nervový systém” baterie.

La návrh balení Stejně důležitý je i systém BMS: rozestupy, izolační materiály, systémy odvodu tepla a bariéry mezi články slouží právě k omezení případného problému a zabránění jeho šíření.

A nakonec jsou tu ještě certifikace akumulace, které potvrzují splnění standardizovaných zkoušek. Mezi nejdůležitější normy pro tento sektor patří IEC 62619 a UL 9540A, přičemž druhá z nich se konkrétně týká zkoušek šíření tepelného úniku [OVĚŘIT: použitelnost a aktuální verze norem]. Vyžádejte si zprávy o test tepelného namáhání a šíření Je to osvědčený postup před každým nákupem.

Proč mají stabilní chemické společnosti výhodu

Když si to dáme dohromady, poselství je jasné: můžete přidat tolik elektroniky, kolik chcete, ale pokud je základní chemické složení stabilnější, máte výhodu už na startu. Polianiontové a sodíkově-iontové články obvykle nabízejí vyšší tepelnou stabilitu právě proto, že jejich struktura je méně náchylná k uvolňování kyslíku a k vyvolávání reakcí při nízkých teplotách.

Chcete-li se blíže seznámit s technickými aspekty tepelné stability katodových materiálů, můžete si prostudovat studie zveřejněné na portálu ScienceDirect: první studie e druhá studie.

Bezpečnost je samozřejmě jen jednou stránkou celé věci. Jak se tyto články chovají při vysokém zatížení nebo v silném mrazu? To si ukážeme v příštím podrobném článku věnovaném výkonu v extrémních podmínkách.

Shrnutí

Baterie nikdy nepředstavuje “nulové riziko”, existují však možnosti, které výrazně zvyšují její bezpečnostní rezervu. Posouzení teploty vznícení, chování katody a odolnosti proti šíření, spolu se spolehlivým systémem BMS a seriózními certifikacemi, vám umožňuje instalovat spolehlivé akumulátory i v blízkosti osob.

Chcete navrhovat bezpečnější akumulační systémy? Seznamte se s bezpečnostními kritérii, která je třeba zvážit před výběrem baterie.