Baterijos struktūros pasirinkimas greito įkrovimo ir iškrovimo scenarijams: krūva ar vyniojimas?

Įkurta 2002 m., specializuojasi ryšių įrangos gamyboje ir energijos kaupimo integravime bei yra patikimas keturių pagrindinių Kinijos telekomunikacijų operatorių partneris.

Kai energijos kaupimo sistema turi vienu metu užtikrinti didelę galią, milisekundžių lygio atsaką ir ilgalaikį stabilų veikimą, akumuliatoriaus konstrukcinis dizainas nebėra tik gamybos proceso klausimas. Jis tampa pagrindiniu sistemos parametru, lemiančiu vidinės varžos valdymą, šilumos valdymo efektyvumą ir ciklo trukmę. Ypač įkrovimo / iškrovimo scenarijuose 3–10 °C ir daugiau, vidinė ląstelės struktūra tiesiogiai veikia varžos pasiskirstymą, elektrocheminę poliarizaciją, šilumos difuzijos kelius ir mechaninių įtempių valdymą.

Inžinieriams, užsiimantiems energijos kaupimo sistemų parinkimu, svarbu suprasti esminius skirtumus tarp sukrautos ličio baterijos bei žaizdų ląstelės esant didelio greičio eksploatavimo sąlygoms, yra būtinas norint pasiekti patikimą sistemos projektavimą.

Šiame straipsnyje sistemingai analizuojamas skirtingų įrenginių techninis našumas. akumuliatorių konstrukcijos didelės spartos taikymuose iš daugelio perspektyvų, įskaitant srovės kelią, elektrocheminę varžą, termodinaminę elgseną, konstrukcinį įtempį ir sistemos integracijos suderinamumą. Taip pat nagrinėjama jų praktinė inžinerinė vertė realiame pasaulyje projektuojant energijos kaupimo gaminius.

1. Elektrocheminiai-struktūriniai sujungimo mechanizmai esant dideliam greičiui

Esant žemo greičio sąlygoms (≤1 °C), akumuliatoriaus įtampos nuostoliai daugiausia atsiranda dėl medžiagų vidinės varžos ir elektrolito jonų pernašos varžos, o struktūrinių skirtumų poveikis yra gana ribotas.
Tačiau, kai tarifas viršija 3C, ominė varža (Rₒ), krūvio perdavimo varža (Rct), ir koncentracijos poliarizacija sparčiai didėja, todėl pradeda ryškėti netolygaus srovės pasiskirstymo ląstelės viduje problema.

Baterijos gnybtų įtampą galima išreikšti taip:

kur Rₒ labai koreliuoja su srovės kelio ilgiu elektrodo srovės kolektoriuje.

Apvyniotoje struktūroje srovė perduodama išilgai elektrodo lakšto, todėl elektronų pernašos kelias yra gana ilgas. Tuo tarpu sluoksniuotoje struktūroje srovė padalijama iš kelių lygiagrečiai sujungtų skirtukų, leidžiančių jai praeiti per elektrodus storio kryptimi, taip žymiai sutrumpinant elektronų pernašos atstumą. Esant didelio greičio impulsiniam išlydžiui, šis srovės kelio skirtumas tiesiogiai atsispindi įtampos kritime ir šilumos susidarymo intensyvume.

Inžineriniai bandymai dažnai rodo, kad kai išleidimo greitis padidėja nuo 1C - 5C,
žaizdinių ląstelių temperatūros kilimo kreivė yra pastebimai statesnė nei sukrautų ląstelių, o tai rodo
ryškesnė vidinės srovės tankio koncentracija. Šis koncentracijos efektas veikia ne tik momentinį
efektyvumą, bet taip pat pagreitina SEI plėvelės degradaciją, taip sutrumpindama ciklo tarnavimo laiką.

2. Žaizdos struktūros techninės charakteristikos ir didelio dažnio apribojimai

Apvijos procesas yra labiausiai išvystytas technologinis būdas ličio baterijų pramonėje ir ypač tinka cilindriniams elementams ir kai kuriems prizminiams elementams. Jo pagrindinė savybė yra ta, kad katodas, separatorius ir anodas yra nuolat apvyniojami tokia seka: katodas–separatorius–anodas–separatorius kad susidarytų želė pavidalo struktūra.

Šis dizainas suteikia keletą privalumų, įskaitant didelis gamybos efektyvumas, brandi įranga, kontroliuojamos išlaidos ir geras nuoseklumas.

Tačiau esant dideliam intensyvumui, žaizdų struktūros susiduria su keliais fiziniais apribojimais, kurių sunku išvengti.

Pirma, vieno skirtuko arba riboto skirtukų skaičiaus dizainas gali sukelti srovės koncentraciją. Kai per ląstelę praeina didelė srovė, ji linkusi tekėti pirmiausia per sritis šalia skirtukų, sukurdama lokalizuotus karštuosius taškus.

Antra, buvimas centrinė tuščiavidurė šerdis sumažina tūrinį panaudojimą, apribodamas galimybes toliau gerinti energijos tankį.

Trečia, elektrodų lakštų lenkimas vyniojimo proceso metu įveda liekamasis mechaninis įtempis, todėl aktyviosios medžiagos išsiskyrimas yra labiau tikėtinas dažnų didelio greičio ciklų metu.

Nors daugiasluoksnės apvijos ir išankstinio lenkimo technologijos gali išspręsti kai kurias iš šių problemų, dėl būdingos struktūros elektronų pernašos keliai vis tiek yra gana ilgi ir sunku žymiai sumažinti vidinę varžą. Todėl tais atvejais, kai pagrindinis tikslas yra didelis našumas, apvijų struktūros pamažu užleidžia vietą sluoksniuotoms struktūroms.

3. Sluoksniuotų ličio baterijų struktūriniai pranašumai ir fizinis pagrindas

Sudėtinės ličio baterijos yra sukonstruoti sluoksniuojant katodus, separatorius ir anodus po vieną. Jų pagrindiniai privalumai yra šie: optimizuoti srovės keliai bei tolygesnis įtempių pasiskirstymas.

Pirma, srovės paskirstymo požiūriu, sukrautos struktūros paprastai naudoja keli skirtukai lygiagrečiai, užtikrinant tolygesnį srovės pasiskirstymą elektrodo plokštumoje. Srovė teka per elektrodo sluoksnius storio kryptimi, žymiai sutrumpinant kelią ir taip sumažinant ominę varžą. Aukščiau aprašytuose išlydžio scenarijuose 5C, dėl to atsirandantis įtampos kritimo pagerėjimas tampa ypač ryškus.

Antra, kalbant apie šilumos valdymą, sluoksniuotas sukrautos struktūros išdėstymas leidžia tolygiau generuoti šilumą ir kartu pašalinti šilumos kaupimosi zoną, kurią sukelia tuščiaviduris šerdis apvyniotose ląstelėse. Toks tolygesnis šilumos pasiskirstymas sumažina vietinio perkaitimo riziką ir sukuria palankesnį šiluminio lauko pagrindą modulio lygio skysčio arba oro aušinimo sistemų projektavimui.

Trečia, kalbant apie mechaninį stabilumą, sukrautos konstrukcijos vengia elektrodų lenkimo ir užtikrina tolygesnį įtempių pasiskirstymą.
Didelio dažnio ciklų metu elektrodų plėtimosi ir susitraukimo dažnis padidėja. Sudėtinė konstrukcija gali sumažinti separatoriaus deformacijos ir mikrotrumpiųjų jungimų riziką, kurią sukelia įtempių koncentracija. Eksperimentiniai duomenys rodo, kad toje pačioje medžiagų sistemoje sudėtos ląstelės paprastai pasižymi pajėgumų išlaikymo rodiklis daugiau nei 10 % didesnis nei žaizdų ląstelės atliekant didelio dažnio ciklo bandymus.

4. Energijos tankio ir erdvės panaudojimo reikšmė sistemos lygmeniu

Projektuojant energijos kaupimo sistemas, energijos tankis turi įtakos ne tik atskiro elemento parametrams, bet ir bendrai spintelės konstrukcijai bei projekto ekonomikai. Centrinė tuščiavidurė apvyniotų elementų šerdis neišvengiamai sumažina tūrio panaudojimą, o sukrautos struktūros pagerina erdvės užpildymo efektyvumą dėl plokščio sluoksnio sudėjimo.

Tiek teorija, tiek praktinis pritaikymas rodo, kad sukrautos konstrukcijos gali pasiekti maždaug 5–10 % didesnis tūrinis energijos tankis.

Komercinėms ir pramoninėms energijos kaupimo sistemoms šis patobulinimas reiškia:

• Aukštesnis kWh/m³
• Kompaktiškesnis sandėliavimo spintelių dizainas
• Mažesni įrangos patalpos vietos reikalavimai
• Geresnė transportavimo ir įrengimo išlaidų struktūra

Kai sistemos mastas pasiekia MWh lygis, dėl struktūrinių skirtumų pagerėjęs erdvės panaudojimas gali būti paverstas reikšmingais inžinerinių sąnaudų pranašumais.

5. Techniniai krovimo proceso iššūkiai ir pramonės tendencijos

Krovimo procesas reikalauja didelio įrangos tikslumo, gamybos laikas yra santykinai lėtesnis nei vyniojimo, be to, pradinės investicijos į įrangą yra didesnės. Tačiau, brandai einant į krūvį... didelio greičio krovimo mašinos, vaizdo derinimo sistemos ir integruota pjovimo bei krovimo įranga, jo efektyvumas gerokai pagerėjo. Kai kuri pažangi įranga jau priartino krovimo efektyvumą prie vyniojimo procesų efektyvumo.

Be to, atsiradimas sausų elektrodų technologija bei hibridinės kamininės ir vėjo integruotos technologijos leidžia sukrautoms struktūroms išlaikyti našumo pranašumus, palaipsniui mažinant sąnaudų skirtumą.

Ateities konkurencija nebebus vien tik krovimo ir vyniojimo klausimas, o optimalios pusiausvyros tarp gamybos efektyvumas ir našumas.

6. Nuo ląstelės struktūros iki sistemos lygio inžinerinės integracijos

Energijos kaupimo taikymuose elementų struktūros pasirinkimas turi būti derinamas su sistemos lygio projektavimu.

Mažos varžos daugiasluoksniai elementai geriau veikia lygiagretaus išplėtimo scenarijuose, užtikrindami geresnį įtampos pastovumą ir palengvindami BMS veikimą. SOC įvertinimas ir balansavimo valdymasTuo pačiu metu jų šiluminio paskirstymo charakteristikos geriau atitinka didelės galios keitiklių sistemų greito įkrovimo / iškrovimo poreikius.

Kurdami modulinę energijos kaupimo sistemą, mes taikome sudedamas ličio jonų akumuliatorių sprendimas kuri sujungia didelio našumo elementų struktūras su išmania BMS sistema, kad būtų pasiektas lankstus pajėgumų išplėtimas ir stabili didelė galia. Sistema palaiko greitą įkrovimą ir iškrovimą, pasižymi ilgu ciklo tarnavimo laiku ir nereikalauja daug priežiūros, todėl tinka... komercinis ir pramoninis energijos kaupimas, PV kaupimo integravimas ir didelės galios atsarginės energijos tiekimo sistemos.

Modulinis dizainas ne tik sumažina pradinį investicijų spaudimą, bet ir leidžia patogiau plėsti pajėgumus ateityje.

7. Inžinerinė sprendimų logika konstrukcijų pasirinkimui

Inžinerinėje praktikoje konstrukcijų parinkimas turėtų būti visapusiškai įvertintas remiantis šiais aspektais:

• Jei paraiška pirmiausia skirta mažos palūkanų normos ir jautrūs sąnaudoms, žaizdos struktūra suteikia brandos ir ekonomiškumo pranašumų.
• Jei sistema reikalauja dažni didelės srovės impulsai, greitas įkrovimas / iškrovimas arba ilgas ciklo tarnavimo laikas, sukrauta struktūra suteikia stipresnių techninių pranašumų.
• Jei projektas vykdomas didelis galios tankis ir kompaktiškesnis dizainas, sukrauta konstrukcija yra pranašesnė tiek erdvės panaudojimo, tiek šilumos valdymo požiūriu.

Didelės spartos programų esmė yra ta, energijos, o ne pajėgumų prioritetas.
Kai sistemos tikslas pasikeičia nuo paprasto energijos kaupimo prie energijos palaikymo ir dinaminio atsako, pasirinkimas akumuliatoriaus struktūra turi judėti link mažesnės vidinės varžos ir didesnio vienodumo.

Struktūra yra konkurencingumas aukštų palūkanų normų eroje

Su savo trumpesni srovės keliai, tolygesnis šilumos pasiskirstymas ir geresnis mechaninis stabilumas, sukrauta ličio baterija vis plačiau naudojamas didelės spartos programose.

Įmonėms, planuojančioms energijos kaupimo sistemas arba atnaujinančioms savo gaminius, tinkamos akumuliatorių struktūros pasirinkimas yra ne tik techninis klausimas, bet ir ilgalaikio patikimumo bei projekto investicijų grąžos klausimas.