LFP, NMC i ogniwa sodowo-jonowe z perspektywy ochrony przeciwpożarowej: co chemia ogniwa oznacza dla bariery

„Magazyn energii” nie jest z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej kategorią jednorodną. To, czy ogniwo pracuje w technologii litowo-żelazowo-fosforanowej (LFP), niklowo-manganowo-kobaltowej (NMC) czy sodowo-jonowej, zmienia zasadniczo trzy wielkości: temperaturę, przy której rozpoczyna się niekontrolowany wzrost temperatury (thermal runaway), ilość uwalnianego przy tym ciepła oraz ilość i skład gazów odprowadzanych z ogniwa. Dla projektowania bariery wynika stąd prosta, lecz często pomijana konsekwencja: dominujący cel ochrony zależy od chemii — raz na pierwszym planie stoi separacja termiczna, innym razem zarządzanie gazem i ochrona przeciwwybuchowa.

Różnica strukturalna tkwi w materiale katody: ogniwa NMC wykorzystują tlenek warstwowy, który w wysokich temperaturach może uwalniać tlen i podsycać pożar sam z siebie. Struktura oliwinowa LFP wiąże natomiast tlen trwale — reakcja przebiega wyraźnie łagodniej, choć w żadnym razie nie jest nieszkodliwa.

Ogniwa NMC wchodzą w porównaniu wcześniej w thermal runaway — typowe temperatury początku reakcji mieszczą się, zależnie od typu ogniwa i metody pomiaru, z grubsza w zakresie od 170 do 210 °C — i reagują wówczas najgwałtowniej. Badania porównawcze wykazują dla NMC najwyższe temperatury gazów odprowadzanych z ogniwa (w aktualnym opracowaniu około 1050 °C wobec około 446 °C przy LFP) oraz największą ilość gazu na amperogodzinę. Dochodzą do tego często wypływ płomienia, wyrzut iskier i cząstki ogniw, które działają jako źródła zapłonu dla obszarów sąsiednich.

Dla separacji termicznej oznacza to: w systemach NMC dominuje obciążenie cieplne. Ściany działowe i wykładziny muszą krótkotrwale przyjąć bardzo wysokie temperatury i gęstości strumienia cieplnego, nie dopuszczając do krytycznego wzrostu temperatury po stronie przeciwnej. Materiały izolacyjne odporne na wysokie temperatury o przebadanym zachowaniu powyżej 1000 °C, mechanicznie stabilne warstwy okrywowe chroniące przed uderzeniami cząstek oraz przekładki hamujące propagację między modułami stanowią tu podstawowe elementy.

LFP słusznie uchodzi za technologię bardziej stabilną termicznie: wyższa temperatura początku reakcji, mniejsze wydzielanie ciepła, rzadsze pożary podtrzymujące się samoczynnie. Często wyciąga się z tego jednak błędny wniosek, że LFP jest z punktu widzenia ochrony przeciwpożarowej niekrytyczne. Pomiary porównawcze wykazują wprawdzie najmniejszą ilość gazu w odniesieniu do pojemności (w aktualnym opracowaniu około 0,02 mol/Ah wobec około 0,07 mol/Ah przy NMC), ale przy najwyższym udziale wodoru w gazie odprowadzanym z ogniwa — w tym samym badaniu około 41 procent.

Dla wykładziny oznacza to: musi ona nie tylko odgradzać ciepło, lecz także wspierać zarządzanie gazem — utrzymywać drożne zdefiniowane drogi odprowadzenia, nie blokować powierzchni odciążających i sama nie tworzyć źródeł zapłonu ani pustek, w których gaz mógłby się gromadzić.

Ogniwa sodowo-jonowe wykazują w pierwszych badaniach porównawczych korzystny profil bezpieczeństwa: temperatury początku reakcji mniej więcej na poziomie LFP (rząd wielkości 220 do 260 °C) i wyraźnie niższe maksymalne temperatury gazów niż w obu chemiach litowych. Również możliwość rozładowania ogniw do zera woltów na czas transportu i magazynowania zmniejsza ryzyko w cyklu życia.

Mimo to również ogniwa sodowo-jonowe uwalniają w razie awarii gazy palne — z istotnym udziałem wodoru, tlenku węgla i par elektrolitu. Baza danych jest przy tym wciąż wąska: istnieje dopiero niewiele niezależnych opracowań i niemal brak badań pożarowych w wielkiej skali na poziomie systemu. Dla projektowania obowiązuje zatem zasada: nie obniżać ryczałtowo wymagań wobec separacji termicznej, odprowadzania gazów i odciążenia wybuchowego, lecz żądać danych badawczych właściwych dla projektu (na przykład według UL 9540A) i na nich opierać rozwiązanie.

• NMC: barierę projektować przede wszystkim przeciw wysokim temperaturom, strumieniowi cieplnemu i cząstkom
• LFP: nacisk na detekcję gazów, wentylację, odciążenie wybuchowe i wykonanie wolne od źródeł zapłonu
• Ogniwa sodowo-jonowe: korzystny profil, ale rozwiązanie redukować dopiero na podstawie wiarygodnych danych badawczych
• Dla wszystkich chemii: zachowanie propagacyjne z raportów badawczych ma pierwszeństwo przed danymi z kart katalogowych