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Gewährleistung der Sicherheit und Leistung von Lithiumbatterien bei extremen Temperaturen
Überblick
Lithium-Ionen-Batterien sind in allen Aspekten unseres Lebens weit verbreitet, von Mobiltelefonen und preiswerter Unterhaltungselektronik bis hin zu Elektrofahrzeugen. Es gibt jedoch Fälle, in denen Batterien kontinuierlich und länger funktionieren müssen als die von Konsumgütern. Industrie-, Telekommunikations- und Militärgeräte sind extremeren Temperaturen ausgesetzt als Unterhaltungselektronik, und die Batteriefunktion bei diesen Temperaturen ist eine Anforderung, keine Überlegung. Wiederaufladbare Batterien für robuste tragbare Geräte und Batterie-Energiespeichersysteme (BESS) müssen in extrem heißen und kalten Umgebungen betrieben werden, in denen die Temperatur die Leistung, Sicherheit und Lebensdauer einer Batterie beeinträchtigen kann.
Lithium-Ionen-Batterien haben hohe Energiedichten (bis zu 705 Wh/Liter) und Leistungsdichten (bis 1 bis 10.000 W/Liter), wodurch sie sich hervorragend für eine Vielzahl von Energiespeicher- und Leistungsanwendungen eignen . Die Temperatur als kritischer Faktor 2 wirkt sich erheblich auf die Leistung, Kapazität und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien aus, was ihre Anwendungen einschränkt. Daher sind eine genaue Messung der Temperaturen in Lithium-Ionen-Batterien und das Verständnis der Temperatureffekte wichtig für das richtige Batteriemanagement und die Sicherheit. In diesem Brief diskutieren wir die Auswirkungen der Temperatur auf Minderungsstrategien für Lithium-Ionen-Batterien, einschließlich der in Sol Donum™-Produkten verwendeten LiFePo4-Chemie.
Heutzutage verwendete gängige Energiespeicherbatterien
Drei gängige Arten von wiederaufladbaren Batterien werden in Anwendungen von Unterhaltungselektronik und Automobil bis hin zu Telekommunikation und Militär verwendet. Sie sind:
- Verschlossene Blei-Säure- (SLA) und Gel-Blei-Säure- (AGM) zyklenfeste Batterien gibt es seit den 1850er Jahren und sie sind der älteste Typ wiederaufladbarer Batterien. SLA- und AGM-Batterien sind billig und funktionieren, wenn sie extremen Umgebungen von -40 °C bis 70 °C ausgesetzt sind. Sie haben eine schlechte Energiedichte und Leistung, eine kurze Lebensdauer von typischerweise 6 Monaten und benötigen viel Platz für sinnvolle Implementierungen. Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) haben Nickel-Cadmium (NiCad) aufgrund des hochgiftigen Cadmiummetalls, das in diesen Batterien verwendet wird, ersetzt. NiMH-Zellen haben verbesserte Energiedichten gegenüber SLA und AGM, arbeiten effektiv zwischen -20 °C und 60 °C, haben aber sehr hohe Selbstentladungsraten von etwa 30 % monatlich, was sie für Langzeitspeicheranwendungen unpraktisch macht. Die 1991 kommerziell eingeführte Lithium-Ionen-Technologie hat die derzeit höchste verfügbare Energiedichte. Es eignet sich für tragbare Geräte, Energiespeicher und Elektrofahrzeuge (EVs). Lithium-Ionen-Batterien arbeiten effektiv zwischen -20 °C und 60 °C, erfordern jedoch ein hohes Maß an Schutz. Dazu gehören Druckentlüftungen (innerhalb jeder Zelle) und ein Batteriemanagementsystem (BMS), um Probleme mit Überspannung, Unterspannung und thermischem Durchgehen zu vermeiden.
1) Energiedichte ist die pro Volumen- oder Gewichtseinheit gespeicherte Energie als Menge an elektrischer Energie, die pro Volumen- oder Gewichtseinheit der Batterie freigesetzt wird.
2) Fortschritte in den Naturwissenschaften: Materials International 28 (2018) 653-666
Was genau ist ein Lithium-Ionen-Akku 3
Lithium-Ionen ist eine fortschrittliche Batterietechnologie, die Lithiumionen als Schlüsselkomponente ihrer Elektrochemie verwendet. Während eines Entladezyklus werden Lithiumatome in der Anode ionisiert und von ihren Elektronen getrennt. Die Lithiumionen bewegen sich von der Anode und passieren den Elektrolyten, bis sie die Kathode erreichen, wo sie mit ihren Elektronen rekombinieren und sich elektrisch neutralisieren. Die Lithium-Ionen sind klein genug, um sich durch einen mikrodurchlässigen Separator zwischen Anode und Kathode bewegen zu können. Teilweise aufgrund der geringen Größe von Lithium (nach Wasserstoff und Helium an dritter Stelle), sind Lithium-Ionen-Batterien in der Lage, eine sehr hohe Spannung und Speicherladung pro Masse- und Volumeneinheit zu haben.
Lithium-Ionen-Batterien können eine Reihe unterschiedlicher Materialien als Elektroden verwenden. Die häufigste Kombination ist die von Lithiumkobaltoxid (Kathode) und Graphit (Anode), die am häufigsten in tragbaren elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen und Laptops zu finden ist. Andere Kathodenmaterialien umfassen Lithiummanganoxid (das in Hybridelektro- und Elektroautos verwendet wird) und Lithiumeisenphosphat. Li-Ionen-Batterien verwenden typischerweise Ether (eine Klasse organischer Verbindungen) als Elektrolyt.
Gängige Lithium-Ionen-Batterietypen und ihre Eigenschaften
Lithium-Ionen-Batterien, Bild 1, werden nach der Chemie des Elektrolyten (die Flüssigkeit oder Paste, die zum Transport positiv geladener Ionen verwendet wird), der Kathode ( ) und der Anode (-), die die Energiedichte, die Betriebszyklen und die Temperatur bestimmen, klassifiziert Reichweite und andere Betriebsparameter. Tabelle 1 vergleicht die Hauptfunktionsmerkmale von fünf (5) gebräuchlichen Lithiumbatterie-Chemikalien, die heute verwendet werden. Diese werden für Anwendungen aus der Unterhaltungselektronik und EVs, Industrieanwendungen wie Automatisierung und Robotik, netzgekoppelte Versorgungsspeicheranwendungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Telekommunikation und lokalisierte Batterieenergiespeichersysteme (BESS) verwendet.
3) Institut für saubere Energie, Universität Washington
Abbildung 1. Aufbau der internen Lithium-Ionen-Batterie.
Temperaturauswirkungen auf die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Ionen
Das richtige Management der Betriebstemperatur von Lithium-Ionen-Akkus ist entscheidend für ihre Leistung und ihren sicheren Betrieb. Die genaue Temperaturüberwachung ist einer der wichtigsten Prozesse für den ordnungsgemäßen Betrieb und das Temperaturmanagement, um die beste Leistung und Sicherheit zu gewährleisten. Die meisten Temperatureffekte hängen mit chemischen Reaktionen zusammen, die in den Batterien und den zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien stattfinden. Extreme Temperaturschwankungen können zu einer Änderung der elektrochemischen Reaktionsgeschwindigkeit in Batterien führen, was sich in einer Verschlechterung der Leistung auf bis zu 40 %, verkürzter Lebensdauer und thermischem Durchgehen, Feuer oder Explosion bei hohen Temperaturen äußern kann. Die Auswirkungen niedriger Temperaturen.
Die Auswirkungen niedriger Temperaturen
Die Leistung und die chemische Struktur von Lithiumbatterien nehmen unter 0 °C ab. Diese Verschlechterung bei niedrigen Temperaturen kann auf mehrere verschiedene Ursachen zurückgeführt werden (4. Erstens beeinflusst die niedrige Temperatur die Elektrolyteigenschaften. Mit abnehmender Temperatur steigt die Viskosität des Elektrolyten, wodurch die Ionenleitfähigkeit (Fähigkeit des freie Bewegung der Ionen), wodurch der Innenwiderstand infolge der Erhöhung der Impedanz der gerichteten Wanderung chemischer Ionen ansteigt, was sowohl die Betriebsspannung als auch die Ladekapazität um bis zu 23 % seit der Erhöhung der Impedanz verringern kann führt zu einem hohen inneren Ladungsübergangswiderstand Da der Ladungsübergangswiderstand eines entladenen Akkus normalerweise viel höher ist als der eines geladenen, ist das Laden eines Akkus bei niedrigen Temperaturen schwieriger als das Entladen und kann zu Schäden am führen Kohleanode durch Lithiumplattierung Dies führt zu einer dauerhaften Verringerung der Batteriekapazität und -leistung.
Die Auswirkungen hoher Temperaturen
Der Betrieb bei hohen Temperaturen stellt größere Herausforderungen dar als bei niedrigen Temperaturen, da ein katastrophaler Batterieausfall zu einem Brand oder einer Explosion führen kann. Wie bereits erwähnt, liefern Lithium-Ionen-Batteriezellen Energie durch die elektrochemische Bewegung von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode. Bei hohen Entladungsraten erzeugt diese chemische Reaktion jedoch Wärme. Daher müssen Batterien geeignet ausgewählt werden, um jede Anwendung zu unterstützen, die eine Entladungsrate von mehr als 1C hat. Die erzeugte Wärme wird auch verstärkt, wenn Zellen zu einem mehrzelligen Paket zusammengebaut werden, wie dies heute bei den meisten Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt und in eingebetteten Anwendungen der Fall ist. Darüber hinaus können hohe Lagertemperaturen die spätere Leistung und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batteriezellen beeinträchtigen und sollten berücksichtigt werden. Lagerbedingungen über 20 °C beschleunigen die natürliche Selbstentladung um monatlich 1 %, und eine erhöhte Lagertemperatur von 60 °C über einen Zeitraum von zwölf Monaten kann Zellen bis auf 40 % ihrer ursprünglichen Kapazität entladen.
4) Fortschritte in den Naturwissenschaften: Materials International 28 (2018) 653-666
Thermischer Ausreißer
Thermal Runaway ist eine unkontrollierte chemische (exotherme) Reaktion, die große Mengen an Wärme abgibt und auftreten kann, wenn Batterien fehlerhaft hergestellt, beschädigt oder in Hochtemperaturzuständen betrieben werden, bei denen die hohe Temperatur eine exotherme Reaktion in den betriebenen Batterien auslöst. Diese Reaktionen setzen mehr Wärme frei und fördern wiederum den Temperaturanstieg in Batterien weiter. Wenn eine solche unkontrollierte Wärmeerzeugung die Hitzebeständigkeit der Batterien übersteigt, kann es zu Bränden und Explosionen kommen. Laptop-Hersteller wie Apple und Lenovo haben ihre Produkte in den letzten Jahrzehnten aufgrund von Problemen mit dem thermischen Durchgehen zurückgerufen(5). Das Verständnis der Dynamik des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Akkus ist wichtig für Wärmemanagementansätze für das Hochtemperaturmanagement. Obwohl Faktoren wie der Zustand von Ladung (SOC), Wärmeübertragung und Kurzschlussstrom tragen zur Wärme bis zum Ausfall bei (6 Punkte für Lithium-Ionen-Batterien, es wurde gezeigt, dass LFP immer noch die höchste Wärme bis zum Ausfall der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie aufweisen. LFP sind die sicherste Art von Lithiumbatterien, da sie nicht überhitzen und selbst bei einem Loch kein Feuer fangen. Abbildung 2 zeigt die Gesamtwärme bis zum Ausfall in Joule von LFP-, LTO- und NMC-Batteriechemien. (7
Abbildung 2. Gesamtwärme bis zum Versagen für verschiedene chemische Zusammensetzungen von Lithium-Ionen-Batterien.
5) https://money.cnn.com/2006/08/24/technology/apple_recall/index.htm ;
6) Die Menge an übertragener Wärmeenergie, gemessen pro 1000 Joule (kJ)
7)https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=9 30032
Altern
Die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien tritt auf, wenn die Batteriezellen während ihres Betriebs hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Dies verschlechtert die Batterieleistung, verkürzt den Batterielebenszyklus und die Kalenderlebensdauer der Batterie.
Wärmemanagement für verbesserte Leistung, Lebensdauer und Sicherheit
Methoden zum Management der Batterietemperatur, um Spitzenleistung und Langlebigkeit während Ruhe-, Entlade- und Ladezuständen sicherzustellen, bestehen aus Techniken, um einen Zustand optimaler Betriebstemperatur innerhalb des aktiven Gehäuses aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass die Lagertemperaturen die niedrigen und hohen Temperaturparameter des Lithiums nicht überschreiten -Ionen-Batteriezellen. Ein Bestandteil davon ist ein Batteriemanagementsystem (BMS), das temperaturgesteuerte Lade- und Entladeschutzfunktionen enthält. Das BMS muss eine direkte Kontaktmessung der Batteriezellentemperatur mit einer Temperatursonde ermöglichen, um die Batterie kontinuierlich zu überwachen und Spannungs- und Stromanpassungen an jeder einzelnen Zelle oder Untergruppe innerhalb des Batteriepacks nach Bedarf vorzunehmen. Das BMS muss in Verbindung mit passivem und aktivem Wärmemanagement arbeiten, um eine optimale Betriebstemperatur, Leistung, Lebensdauer und Sicherheit der Batterie zu gewährleisten.
Aktives Wärmemanagement
Das aktive Management umfasst Techniken zum Abführen von Wärme aus dem Batteriekern und den Zellen unter Verwendung von flüssigkeitsbasierten Kühl- oder Umluftkühlsystemen. Innerhalb von Elektrofahrzeugen sind flüssigkeitsbasierte Kühlsysteme die Methode der Wahl, da sie Wärme und Kälte effizient verwalten können, indem sie Wärme bei heißen und kalten Temperaturen auf ein flüssiges Medium übertragen. Diese werden mit Wärmetauschern in Form von Kühlkörpern und zwischen Zellmodulen eingefügten Radiatoren oder Wärmeleitblechen gekoppelt. Für große Netzkopplungssysteme von 1 bis 100 Megawatt werden HVAC-Systeme verwendet, um den Wärmeaufbau innerhalb des Batteriebehälters aktiv zu steuern. Bei kleineren Systemen, wie z. B. Schaltschränken für Verkehrszeichen und Kommunikation, ist Zwangsbelüftung eine vorherrschende Methode, um Wärme abzuführen. Eine Niedertemperaturheizung kann unter Verwendung von Heizelementen oder selbstheizenden Batterien erreicht werden, um eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten.
Passives Wärmemanagement
Passives Management beruht auf Belüftungsöffnungen, die die Luftdruckdifferenz zwischen dem Gehäuse und dem äußeren Luftraum oder Wärmetauschern in Form von Kühlkörpern nutzen, um passiv Wärme aus dem Batteriesatz oder dem Gehäuse in die Umgebungsluft zu transportieren. Das passive Wärmemanagement erweitert den Betriebsbereich der Batterie bei niedrigen und hohen Temperaturen geringfügig. Bei Geräten wie Mobiltelefonen dient die Telefonhülle aus Metall dazu, Wärme an die Außenluft abzugeben. Lithiumbatterien von Elektrowerkzeugen haben in das Gehäuse eingebaute Belüftungsöffnungen, um die Batteriewärme abzuleiten, während das Gerät verwendet wird.
Sol Donum™ Batterie- und Wärmemanagement
Die fortschrittlichen Batteriemanagementsysteme (BMS) und Wärmemanagementfunktionen von Sol Donum™ wurden entwickelt, um sicherzustellen, dass unsere Produkte einen effizienten, zuverlässigen und sicheren Betrieb bieten, um die Energiespeicher- und Stromanforderungen unserer Kunden mit der längsten Lebensdauer und den niedrigsten langfristigen Kosten zu erfüllen. Unsere Akkupacks verwenden prismatische Lithium-Ionen-Eisenphosphat (LiFePO4/LFP)-Zellen mit einem fortschrittlichen BMS für das beste Gleichgewicht zwischen Sicherheit, Dichte, Kosten und Temperaturbeständigkeit bei gleichzeitiger Optimierung von Leistung und Lebensdauer. Unser fortschrittliches BMS umfasst Über- und Untertemperaturschutz zum Laden und Entladen, Überspannung, Unterspannung, Zellenausgleich, Überstrom und Kurzschlussschutz, um die Batteriesicherheit und -leistung weiter zu gewährleisten. Unsere Wärmemanagementfunktionen sind darauf ausgelegt, eine stabile Batterieleistung bei Temperaturen unter 5 °C und über 40 °C für einen optimalen Betriebsbereich von -20 °C bis 50 °C aufrechtzuerhalten.
Abschluss
Lithium-Ionen-Batterien werden auch in den kommenden Jahren die vorherrschende Batteriechemie der Wahl sein, mit Fortschritten in Energiedichte, Größe und Gewicht, was sie zur logischen Wahl für Anwendungen macht, in denen Blei-Säure und andere altbewährte Typen immer noch dominieren. Obwohl die meisten dieser Anwendungen in temperaturkontrollierten Umgebungen stattfinden werden, wird es weiterhin Fälle geben, in denen Lithium-Ionen in Betracht gezogen werden, wo Technologien wie versiegelte Blei-Säure-Batterien und andere Batterien mit größerem Platzbedarf derzeit die primäre Wahl sind. Anwendungen wie Telekommunikation und netzgebundene Speicherung werden dazu führen, dass Lithium-Ionen-Chemikalien ältere Technologien ersetzen, einfach weil das Argument der Kosten zum Ausgleich von Temperaturextremen nicht ausreicht, um die Einsparungen bei Austausch, Wartung, Lebensdauer und Stilllegung/Entsorgung von Lithium-Ionen auszugleichen über Legacy-Technologien. Letztendlich werden neuere Batterien entwickelt, die in strengen Umgebungen funktionieren und Lithium-Ionen-Chemikalien enthalten. Die aktuelle Lithium-Ionen-Chemie kann jedoch für Energiespeicherlösungen implementiert werden, wobei die Nettoenergie- und Kapitalkosten für die Anwendung von Sicherheitsmaßnahmen abgezogen werden und immer noch erhebliche Vorteile gegenüber versiegelten Blei-Säure- und NiMH-Batterien erzielt werden.
Über Sun Gift™
Sol Donum™ (www.soldonum.com) ist ein in den USA ansässiger Entwickler und Integrator von Energietechnologie, der 2019 gegründet wurde. Unsere Produkte sind für den Betrieb in den härtesten Umgebungen ausgelegt und unser Bereich für professionelle Dienstleistungen bietet Engineering und technischen Support für Batteriespeicher- und Energielösungen in der Umgebung unsere Technologie. Mit unserer einzigartigen IT- und Energiesystemerfahrung leisten wir unseren Beitrag zu einer dezentralisierten und kohlenstofffreien Energiezukunft durch unsere Energiespeicherprodukte, die die vorhandene elektrische Energie ergänzen, zur Kosteneinsparung unabhängig arbeiten oder direkte Notstromversorgung für die Betriebskontinuität bereitstellen. Wir freuen uns über Ihren Anruf, um zu besprechen, wie wir Batteriespeicher für Ihr Unternehmen bereitstellen können sales@soldonum.com.
Akronyme
ºC - Celsius
AGM - Absorbierende Glasmatte
BESS - Batterie-Energiespeichersystem
BMS - Batteriemanagementsystem
C - Ladung
EV - Elektrofahrzeug
HVAC - Heizung, Lüftung und Klimaanlage
LCO - Lithium-Ionen-Kobaltoxid
LFP - Lithium-Ionen-Ferrophosphat
LiFePO4 - Lithium-Ionen-Eisenphosphat
LMO - Lithium-Ionen-Manganoxid
LTO - Lithium-Ionen-Titanat
NiCad - Nickel-Cadmium
NiMH - Nickel-Metallhydrid
NMC – Lithium-Ionen-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid
SLA - versiegelte Bleisäure
SOC - Ladezustand
USV - Unterbrechungsfreie Stromversorgung
A - Es war
W - Watt
Wh - Wattstunde
