Bezpečnost sodíkových článků: co ve skutečnosti ukazují testy

“Je to bezpečné?” – to je první otázka, kterou nám kladou, a ten, kdo ji položí, má pravdu. Baterie není nádrž: je to elektrochemický systém, který ukládá energii v chemické formě a který, je-li zatížen nad své limity, ji může uvolnit najednou. Seriozní odpověď není přídavné jméno, je to zkušební protokol se svými podmínkami a kritérii přijatelnosti.

Tento článek popisuje bezpečnostní zkoušky, které prošly polianiontové články NFPP druhé generace systémů Heiwit, včetně úplného znění protokolů. Žádný test není smysluplný bez uvedení podmínek: tvrzení, že “prošel testem s hřebíkem”, aniž by bylo uvedeno, jakou jehlou, jakou rychlostí a jak dlouho, nic neznamená.

Co se tím snaží vyvolat?

Všechny následující důkazy směřují k jedinému cíli: k tepelný únik, v angličtině tepelné přehřátí. Jedná se o mechanismus, při kterém poškozená buňka generuje teplo, které urychluje degradační reakce; tyto reakce pak generují další teplo a celý proces se tak sám udržuje až do vzniku požáru nebo prudkého prasknutí obalu.

Bezpečnostní zkouška je tedy záměrným pokusem o spuštění tohoto cyklu: buňka se propíchne, přetíží, stlačí nebo se zahřeje zvenčí. Kritériem pro úspěšné absolvování zkoušky není to, že “se nic nestane” – něco se stane téměř vždy –, ale žádný požár, žádná exploze, žádné prasknutí pláště.

Je třeba také uvést, co daná zkouška neprokazuje. Pozitivní výsledek u jednotlivého článku se automaticky nevztahuje na celý akumulátorový blok: šíření z jednoho článku na sousední články je systémový jev a je předmětem jiné normy, UL 9540A, o které se zmíníme dále.

Důkazy, jeden po druhém

Proražení hřebíkem

Je to nejnáročnější a nejpozoruhodnější zkouška. Komora má teplotu 25 °C a je plně nabitá, tedy ve stavu s maximálním množstvím akumulované energie. Ocelová jehla o délce průměr 5 mm prochází jí v geometrický střed rychlostí 25 ± 5 mm/s. Jehla se nevytahuje: zůstává zabodnutý v článku, přičemž se udržuje zkrat mezi vrstvami elektrody za účelem hodina pozorování.

Zaznamenaný výsledek je: otevření CID, únik kouře, žádná exploze, žádný požár.

CID, Zařízení pro přerušení proudu, je mechanické zařízení umístěné uvnitř článku: jakmile vnitřní tlak překročí určitou mez, dojde k deformaci kotouče, který fyzicky přeruší obvod. Jedná se o poslední linii obrany, která zasahuje tehdy, když elektronika již k ničemu neslouží, protože článek je již prorazen. To, že CID zasáhl a že následkem byl pouze kouř, je přesně to chování, které se od dobře navrženého článku očekává.

Přetížení

Článek, který má teplotu 25 °C a je již plně nabitý, se nabíjí na konstantní proud 1C až do 1,5násobek napětí na konci nabíjení, nebo po dobu jedné hodiny, podle toho, která z těchto podmínek nastane dříve. Následuje hodina pozorování.

Jedná se o scénář závažné poruchy řídicí elektroniky: jednotka BMS nezasahuje a střídač nadále dodává proud do již plně nabitého akumulátoru. Výsledkem je nafouknutí krytu, nedošlo však k úniku kapaliny ani k požáru.

Regulace teploty

Nabitá článek se vyhřívaná zvenčí zatímco se současně nabíjí konstantním proudem 1C. Zahřívání pokračuje, dokud nenastane jedna z těchto tří situací: článek se dostane do tepelného úniku, teplota dosáhne 300 °C, nebo projdou čtyři hodiny.

Jedná se o test, který simuluje požár v exteriéru: nejde o to, že by se baterie vznítila, ale o to, že se baterie nachází uvnitř požár. Tři sta stupňů je teplota, která výrazně přesahuje hodnotu, při které dochází k tepelné nestabilitě lithiové články. I v tomto případě platí kritérium: žádný požár, žádná exploze, žádné prasknutí, a i zde se zaznamenaný výsledek omezuje na otevření CID a uvolnění kouře.

Rozdrcení, zkrat, pec

Lo rozdrcení napodobuje mechanické poškození – pád těžkého předmětu, náraz během přepravy nebo montáže – a vyžaduje, aby nedošlo k úniku kapaliny ani k požáru.

Na stránkách vnější zkrat propojte oba vývody odporem zanedbatelným; kritérium je v tomto případě přísné jiným způsobem: žádná změna vzhledu, to znamená, že buňka musí z testu vyjít vizuálně nepoškozená.

La pečení v troubě Podle normy GB/T 36276-2018, čínské normy pro elektrochemické akumulační systémy připojené k síti, je článek vystaven dlouhodobému působení vysoké teploty.

Bezpečnost, která vychází z chemie, nikoli ze zařízení

Výše uvedené testy měří chování za extrémních podmínek. Nejzajímavější však je, že polyaniová katoda tyto podmínky způsobuje které je nejtěžší dosáhnout, a to ze tří strukturálních důvodů.

Při stejném proudu vyzařuje méně tepla. Při zkoušce vybíjení s rostoucím proudem v provozním režimu 4C vykazuje článek NFPP maximální přehřátí ve výši 15,5 °C, proti 22,1 °C referenční LFP články. Čím méně tepla se vyprodukuje, tím větší je rezerva, než dojde k aktivaci jakéhokoli spouštěcího mechanismu.

Podporuje hluboké vybití. Pokud se lithium-iontová baterie vybije pod své minimální napětí, dojde k jejímu trvalému poškození a v některých případech k vytvoření podmínek pro následnou poruchu. Polyanionová chemie snáší hluboké vybití bez strukturálních následků.

Lze ji nastavit na nula voltů. Je to nejpozoruhodnější důsledek skutečnosti, že v sodíkových článcích, Oba sběrače proudu mohou být z hliníku — zatímco lithiová baterie vyžaduje na anodě měď, která se nevratně koroduje, pokud napětí příliš poklesne. Sodíkový článek lze tedy pro účely skladování nebo přepravy zcela vybít na nula voltů a poté jej bez poškození znovu nabít. Vybitá přepravovaná baterie je baterie, která již nemá žádnou energii k uvolnění.

Certifikace článků

Kromě výše uvedených zkoušek disponují články následujícími protokoly a certifikáty:

• IEC 62619 — bezpečnostní požadavky na sekundární lithiové články a baterie a další alkalické systémy pro průmyslové aplikace. Jedná se o mezinárodní referenční normu pro stacionární akumulátory.
• UL 9540A — zkušební metoda pro šíření tepelného úniku v akumulačních systémech. Odpovídá na otázku, kterou zkoušky na jednotlivých článcích neřeší: co se děje se sousedními články. Jedná se o dokument, který hasiči a pojišťovny vyžadují u zařízení většího rozsahu.
• OSN 38.3 — povinné zkoušky pro přepravu baterií: nadmořská výška, teplotní cyklus, vibrace, náraz, vnější zkrat, přetížení.
• RoHS e bezpečnostní listy materiálů — nepřítomnost nebezpečných látek a deklarované složení.
• Certifikace pro námořní a letecká přeprava nebezpečného zboží.

Systém, nejen samotná buňka

Ještě jedno upřesnění, protože se jedná o nejčastější nejasnost. Zkoušky a certifikace popsané v tomto textu se týkají buňky. Kompletní akumulační systém – bateriový modul, BMS, řídicí elektronika a střídač – podléhá samostatné certifikaci, která zahrnuje směrnici o nízkém napětí, směrnici o elektromagnetické kompatibilitě a vnitrostátní předpisy pro připojení k síti.

Tyto dvě věci se vzájemně doplňují a žádná z nich tu druhou nenahrazuje: i vynikající článek v špatně navrženém systému zůstává nebezpečný a dobře navržený systém nedokáže vykompenzovat nestabilní článek.

Často kladené otázky

Mohou se sodíkové články vznítit?

Jakákoli buňka, která akumuluje energii, ji může při dostatečném namáhání uvolnit nekontrolovaně. Rozdíl spočívá v prahové hodnotě a v chování nad touto prahovou hodnotou. V popsaných testech – propíchnutí jehlou ponechanou uvnitř po dobu jedné hodiny, přetížení na 1,5násobek napětí při dokončení nabíjení, zahřátí na 300 °C – se výsledek omezil na uvolnění kouře, aniž by došlo k požáru či výbuchu.

Co je to CID?

Zařízení pro přerušení proudu: vnitřní kovový kotouč, který se deformuje, jakmile tlak uvnitř článku překročí určitou mez, čímž fyzicky přeruší obvod. Funguje čistě mechanicky, bez elektroniky, a představuje poslední dostupnou ochranu v případě, že je článek již poškozen.

Proč se mluví o ukládání při nulovém napětí?

Protože v sodíkových článcích mohou být oba proudové kolektory z hliníku, zatímco u lithiových článků je na anodě zapotřebí měď, která se při přílišném vybití článku koroduje. Sodíkový článek lze tedy přepravovat a skladovat zcela vybitý, tedy bez energie, kterou by mohl uvolnit, a znovu jej nabít bez poškození.

Stačí certifikovaná buňka k zajištění bezpečnosti zařízení?

Ne. Bezpečnost je vlastností celého systému: článku, bateriového modulu, BMS, elektroniky a odborné instalace. Certifikace článků představují nezbytný základ, nikoli konečnou záruku.