Ασφάλεια μπαταριών: τι συμβαίνει όταν θερμαίνονται

Φαντάσου ένα κοντέινερ BESS εγκατεστημένο σε μια βιομηχανική περιοχή, δίπλα σε ένα εργοστάσιο όπου εργάζονται καθημερινά δεκάδες άνθρωποι. Στο εσωτερικό του υπάρχουν εκατοντάδες κυψέλες που αποθηκεύουν ενέργεια. Υπό κανονικές συνθήκες, όλα λειτουργούν ομαλά. Τι συμβαίνει όμως αν μια κυψέλη αρχίσει να θερμαίνεται περισσότερο από το κανονικό; Εδώ είναι που η ασφάλεια μπαταριών παύει να αποτελεί ένα αφηρημένο θέμα και μετατρέπεται σε συγκεκριμένη ευθύνη για όσους σχεδιάζουν, εγκαθιστούν και διαχειρίζονται τις εγκαταστάσεις.

Σε αυτό το άρθρο απαντάμε σε μια απλή αλλά κρίσιμη ερώτηση: πόσο ασφαλής είναι μια μπαταρία και τι την καθιστά τέτοια; Η απάντηση, εν συντομία, είναι ότι η ασφάλεια πηγάζει πρώτα απ’ όλα από τη χημεία και μόνο στη συνέχεια από την ηλεκτρονική.

Η θερμική ανεξέλεγκτη αύξηση της θερμοκρασίας εξηγείται με απλά λόγια

Το θερμική ανεξέλεγκτη αύξηση θερμοκρασίας — στα ιταλικά “θερμική διαφυγή” — είναι η αλυσιδωτή αντίδραση που όλοι θέλουν να αποφύγουν σε μια μπαταρία. Λειτουργεί ως εξής: ένα στοιχείο υπερθερμαίνεται, πέρα από ένα συγκεκριμένο όριο οι εσωτερικές χημικές αντιδράσεις επιταχύνονται από μόνες τους, η θερμότητα αυξάνεται ακόμη περισσότερο και η διαδικασία τροφοδοτείται από μόνη της χωρίς να σταματά πια.

Σκεφτείτε μια κατσαρόλα πάνω στη φωτιά που, μόλις ξεπεράσει ένα συγκεκριμένο σημείο, συνεχίζει να θερμαίνεται ακόμα και αν σβήσετε τη φωτιά. Στη χειρότερη περίπτωση, το στοιχείο απελευθερώνει αέρια, παίρνει φωτιά και μπορεί να παρασύρει μαζί του τα γειτονικά στοιχεία. Οι τυπικές αιτίες είναι ένα εσωτερικό ελάττωμα, μια μηχανική βλάβη, μια λανθασμένη φόρτιση ή μια υπερβολικά υψηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Το βασικό σημείο είναι το εξής: δεν αντιδρούν όλες οι χημικές ουσίες με τον ίδιο τρόπο. Ορισμένες αρχίζουν να “διαφεύγουν” σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ άλλες παραμένουν σταθερές για πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

Γιατί ορισμένες χημικές ενώσεις είναι πιο σταθερές από άλλες

Η ουσία του ζητήματος έγκειται στην κάθοδο, δηλαδή σε ένα από τα ενεργά υλικά του στοιχείου. Κατά τη διάρκεια της θερμικής ανεξέλεγκτης αντίδρασης, ορισμένες κάθοδοι απελευθερώνουν οξυγόνο: είναι σαν να ρίχνεις βενζίνη στη φωτιά, διότι το οξυγόνο τροφοδοτεί την καύση από μέσα. Άλλες κάθοδοι, με πιο σταθερές χημικές δομές, τείνουν να συγκρατούν το οξυγόνο και να μην τροφοδοτούν την αντίδραση.

Οι λεγόμενες χημικές ουσίες πολυανιονικές — μια οικογένεια στην οποία ανήκουν και πολλά κύτταρα νατρίου — έχουν κρυσταλλική δομή στην οποία τα άτομα οξυγόνου είναι σταθερά δεμένα. Αυτό μεταφράζεται, γενικά, σε μια μικρότερη τάση στην απελευθέρωση οξυγόνου και σε υψηλότερη θερμοκρασία ανάφλεξης. Αυτό δεν σημαίνει “μηδενικός κίνδυνος”, αλλά μεγαλύτερο περιθώριο ασφάλειας.

Οι ακριβείς θερμοκρασίες ανάφλεξης και τα συγκριτικά στοιχεία μεταξύ των χημικών οικογενειών ποικίλλουν σημαντικά ανάλογα με τη δομή του στοιχείου και πρέπει πάντα να επαληθεύονται στις εκθέσεις του κατασκευαστή [ΠΡΟΣ ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ: θερμοκρασίες ανάφλεξης και στοιχεία θερμικής σταθερότητας για την κάθοδο].

Οι τρεις παράγοντες που καθορίζουν την ασφάλεια των μπαταριών

Όταν αξιολογείς την ασφάλεια ενός συστήματος αποθήκευσης, τρεις παράμετροι έχουν μεγαλύτερη σημασία από τις άλλες:

• Θερμοκρασία ανάφλεξης: το όριο πέρα από το οποίο αρχίζει η θερμική διαφυγή. Όσο υψηλότερο είναι, τόσο μεγαλύτερο είναι το περιθώριο πριν προκύψει κάποιο πρόβλημα.
• Απελευθέρωση οξυγόνου από την κάθοδο: το βαθμό στον οποίο η χημεία τροφοδοτεί από μόνη της την καύση. Όσο λιγότερο οξυγόνο απελευθερώνεται, τόσο λιγότερο έντονη είναι η αντίδραση.
• Διάδοση μεταξύ κυττάρων: η ικανότητα ενός “εκτός ελέγχου” στοιχείου να μολύνει τα γειτονικά. Ένας σωστός σχεδιασμός της μπαταρίας απομονώνει το πρόβλημα αντί να το αφήνει να εξαπλωθεί.

Αυτοί οι τρεις παράγοντες, στο σύνολό τους, λένε πολύ περισσότερα από έναν απλό αριθμό στα τεχνικά χαρακτηριστικά. Ένα στοιχείο με υψηλή θερμοκρασία ενεργοποίησης και χαμηλή απελευθέρωση οξυγόνου ξεκινά ήδη με ένα δομικό πλεονέκτημα.

Γιατί η ασφάλεια είναι τόσο κρίσιμη όταν πρόκειται για ανθρώπους

La ασφάλεια BESS δεν έχει την ίδια σημασία σε κάθε περίπτωση. Άλλο πράγμα είναι μια μεμονωμένη εγκατάσταση σε ανοιχτό χώρο και άλλο μια εγκατάσταση αποθήκευσης που βρίσκεται σε περιοχή όπου υπάρχουν άνθρωποι, περιουσιακά στοιχεία και δραστηριότητες.

Σκέψου τα ακόλουθα σενάρια:

• Εγκαταστάσεις κατοικίες, συχνά σε γκαράζ, κελάρια ή τεχνικούς χώρους, λίγα μέτρα μακριά από τους κατοικημένους χώρους.
• Συσσωρεύσεις σε εργοστασιακές αποθήκες και στις παραγωγικές δραστηριότητες, όπου ο κίνδυνος προστίθεται στον βιομηχανικό.
• Κοντέινερ BESS σε βιομηχανικές περιοχές, όπου δεκάδες ή εκατοντάδες kWh συγκεντρώνονται σε μικρό χώρο.

Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, η μείωση του κινδύνου εκ των προτέρων — επιλέγοντας μια πιο σταθερή χημική σύνθεση — σημαίνει προστασία όχι μόνο της επένδυσης, αλλά και όσων ζουν και εργάζονται κοντά στην εγκατάσταση. Γι’ αυτό, για έναν σχεδιαστή ή έναν υπεύθυνο ασφάλειας, η επιλογή της χημικής σύνθεσης αποτελεί στρατηγική απόφαση και όχι μια λεπτομέρεια.

Ο ρόλος της BMS, ο σχεδιασμός της μπαταρίας και οι πιστοποιήσεις

Η χημεία αποτελεί την πρώτη γραμμή άμυνας, αλλά δεν λειτουργεί μόνη της. Γύρω από το κύτταρο υπάρχουν και άλλα επίπεδα προστασίας.

Το BMS (Battery Management System) είναι το ηλεκτρονικό σύστημα που παρακολουθεί συνεχώς την τάση, το ρεύμα και τη θερμοκρασία κάθε κυψέλης. Παρεμβαίνει πριν ξεπεραστούν τα κρίσιμα όρια, εξισορροπώντας τη φόρτιση και αποσυνδέοντας το σύστημα σε περίπτωση ανωμαλίας. Αποτελεί το “νευρικό σύστημα” της μπαταρίας.

La σχεδιασμός της συσκευασίας Είναι εξίσου σημαντικό με το BMS: οι αποστάσεις, τα μονωτικά υλικά, τα συστήματα απαγωγής θερμότητας και τα φράγματα μεταξύ των κυψελών χρησιμεύουν ακριβώς για τον περιορισμό ενός ενδεχόμενου προβλήματος, εμποδίζοντας την εξάπλωσή του.

Τέλος, υπάρχουν οι πιστοποιήσεις αποθήκευσης, τα οποία πιστοποιούν την επιτυχία σε τυποποιημένες δοκιμές. Μεταξύ των πιο σημαντικών για τον συγκεκριμένο τομέα συγκαταλέγονται τα πρότυπα IEC 62619 και UL 9540A, με το τελευταίο να αφορά ειδικά τις δοκιμές διάδοσης θερμικής διαρροής [ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΕΛΕΓΧΘΕΙ: εφαρμογή και ενημερωμένες εκδόσεις των προτύπων]. Ζητήστε τις εκθέσεις των δοκιμή θερμικής καταπόνησης και του διάδοση Αποτελεί καλή πρακτική πριν από οποιαδήποτε αγορά.

Γιατί οι σταθερές χημικές ουσίες έχουν πλεονέκτημα από την αρχή

Συνθέτοντας τα κομμάτια, το μήνυμα είναι σαφές: μπορείς να προσθέσεις όση ηλεκτρονική θέλεις, αλλά αν η βασική χημεία είναι πιο σταθερή, ξεκινάς με πλεονέκτημα. Τα πολυανιονικά και τα ιόντα νατρίου τείνουν να προσφέρουν μεγαλύτερη θερμική σταθερότητα ακριβώς επειδή η δομή τους είναι λιγότερο επιρρεπής στην απελευθέρωση οξυγόνου και στην πρόκληση αντιδράσεων σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Για να εμβαθύνετε στις τεχνικές πτυχές της θερμικής σταθερότητας των υλικών καθόδου, μπορείτε να συμβουλευτείτε τις μελέτες που έχουν δημοσιευτεί στο ScienceDirect: πρώτη μελέτη e δεύτερη μελέτη.

Φυσικά, η ασφάλεια αποτελεί μόνο ένα μέρος της συνολικής εικόνας. Πώς συμπεριφέρονται αυτές οι ίδιες κυψέλες υπό ισχυρή καταπόνηση ή σε συνθήκες έντονου ψύχους; Θα το δούμε σε μια επόμενη αναλυτική παρουσίαση αφιερωμένη στις επιδόσεις υπό ακραίες συνθήκες.

Συνοπτικά

Μια μπαταρία δεν είναι ποτέ “χωρίς κίνδυνο”, αλλά υπάρχουν επιλογές που αυξάνουν σημαντικά το περιθώριο ασφάλειάς της. Η αξιολόγηση της θερμοκρασίας ανάφλεξης, της συμπεριφοράς της καθόδου και της αντοχής στη διάδοση, σε συνδυασμό με ένα αξιόπιστο σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (BMS) και έγκυρες πιστοποιήσεις, σας επιτρέπει να εγκαθιστάτε αξιόπιστους συσσωρευτές ακόμη και κοντά σε ανθρώπους.

Θέλετε να σχεδιάσετε συστήματα αποθήκευσης με μεγαλύτερη ασφάλεια; Ανακαλύψτε τα κριτήρια ασφάλειας που πρέπει να λάβετε υπόψη πριν επιλέξετε μια μπαταρία.