Zapewnienie bezpieczeństwa i wydajności baterii litowych w ekstremalnych temperaturach


Przegląd


Baterie litowo-jonowe są powszechne we wszystkich aspektach naszego życia, od telefonów komórkowych i niedrogiej elektroniki użytkowej po pojazdy elektryczne. Istnieją jednak przypadki, w których akumulatory muszą działać nieprzerwanie i dłużej niż akumulatory produktów konsumenckich. Sprzęt przemysłowy, telekomunikacyjny i wojskowy jest narażony na bardziej ekstremalne temperatury niż elektronika użytkowa, a działanie baterii w tych temperaturach jest wymogiem, a nie rozważaniem. Akumulatory do wytrzymałych urządzeń przenośnych i akumulatorowych systemów magazynowania energii (BESS) muszą działać w ekstremalnie gorących i zimnych środowiskach, w których temperatura może niekorzystnie wpływać na wydajność, bezpieczeństwo i żywotność baterii.


Akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się dużą gęstością energii (do 705 Wh/litr) i gęstością mocy (od 1 do 10 000 W/litr), co czyni je doskonałymi do szerokiego zakresu zastosowań związanych z magazynowaniem energii i zasilaniem. Temperatura, jako czynnik krytyczny2, znacząco wpływa na wydajność, pojemność i bezpieczeństwo akumulatorów litowo-jonowych, co ogranicza ich zastosowania. Dlatego dokładny pomiar temperatury wewnątrz akumulatorów litowo-jonowych i zrozumienie wpływu temperatury są ważne dla prawidłowego zarządzania akumulatorami i bezpieczeństwa. W tym skrócie omawiamy wpływ temperatury na strategie łagodzenia skutków akumulatorów litowo-jonowych, w tym skład chemiczny LiFePo4 stosowany w produktach Sol Donum™.


Powszechnie stosowane obecnie akumulatory do przechowywania energii


Trzy popularne typy akumulatorów są używane w aplikacjach, od elektroniki użytkowej i motoryzacji po telekomunikację i wojsko. Oni są:


    Uszczelnione akumulatory kwasowo-ołowiowe (SLA) i żelowe akumulatory kwasowo-ołowiowe (AGM) są dostępne od lat pięćdziesiątych XIX wieku i są najstarszym typem akumulatorów. Akumulatory SLA i AGM są tanie i działają w ekstremalnych warunkach środowiskowych -40°C do 70°C. Charakteryzują się niską gęstością energii i niską wydajnością, krótką żywotnością wynoszącą zwykle 6 miesięcy i wymagają znacznej przestrzeni do sensownych wdrożeń. Akumulatory niklowo-wodorkowe (NiMH) wyparły akumulatory niklowo-kadmowe (NiCad) ze względu na wysoce toksyczny kadm metaliczny stosowany w tych akumulatorach. Ogniwa NiMH mają lepszą gęstość energii niż SLA i AGM, działają skutecznie w temperaturach od -20°C do 60°C, ale mają bardzo wysoki współczynnik samorozładowania, wynoszący około 30% miesięcznie, co czyni je niepraktycznymi do zastosowań związanych z długotrwałym przechowywaniem. Technologia litowo-jonowa, wprowadzona na rynek w 1991 roku, charakteryzuje się największą dostępną obecnie gęstością energii. Nadaje się do urządzeń przenośnych, magazynów energii i pojazdów elektrycznych (EV). Akumulatory litowo-jonowe działają skutecznie w temperaturach od -20°C do 60°C, ale wymagają wysokiego stopnia ochrony. Obejmuje to odpowietrzniki ciśnieniowe (w każdym ogniwie) oraz system zarządzania akumulatorami (BMS), aby zapobiec problemom z przepięciami pod napięciem i niekontrolowanym wzrostem temperatury.


1) Gęstość energii to energia zmagazynowana na jednostkę objętości lub masy jako ilość energii elektrycznej uwolnionej na jednostkę objętości lub masy akumulatora.

2) Postęp w naukach przyrodniczych: Materials International 28 (2018) 653-666

Czym dokładnie jest bateria litowo-jonowa 3


Lithium-ion to zaawansowana technologia baterii, która wykorzystuje jony litu jako kluczowy składnik elektrochemii. Podczas cyklu rozładowania atomy litu w anodzie są jonizowane i oddzielane od swoich elektronów. Jony litu przemieszczają się z anody i przechodzą przez elektrolit, aż dotrą do katody, gdzie rekombinują ze swoimi elektronami i neutralizują elektrycznie. Jony litu są wystarczająco małe, aby mogły przejść przez mikroprzepuszczalny separator między anodą a katodą. Częściowo ze względu na mały rozmiar litu (trzeci tylko po wodorze i helu), akumulatory litowo-jonowe mogą mieć bardzo wysokie napięcie i ładunek na jednostkę masy i objętości.


Baterie litowo-jonowe mogą wykorzystywać wiele różnych materiałów jako elektrody. Najbardziej powszechną kombinacją jest tlenek kobaltu litu (katoda) i grafit (anoda), który jest najczęściej spotykany w przenośnych urządzeniach elektronicznych, takich jak telefony komórkowe i laptopy. Inne materiały katodowe obejmują tlenek litowo-manganowy (stosowany w hybrydowych samochodach elektrycznych i elektrycznych) oraz fosforan litowo-żelazowy. Baterie litowo-jonowe zazwyczaj wykorzystują eter (klasa związków organicznych) jako elektrolit.


Typowe typy akumulatorów litowo-jonowych i ich charakterystyka


Akumulatory litowo-jonowe, rysunek 1, są klasyfikowane według składu chemicznego elektrolitu (płynu lub pasty używanej do przenoszenia dodatnio naładowanych jonów), katody ( ) i anody (-), co określa gęstość energii, cykle pracy, temperaturę zasięg i inne parametry pracy. Tabela 1 zawiera porównanie głównych cech roboczych pięciu (5) powszechnie stosowanych obecnie chemikaliów baterii litowych. Są one wykorzystywane w zastosowaniach związanych z elektroniką użytkową i pojazdami elektrycznymi, zastosowaniami przemysłowymi, takimi jak automatyka i robotyka, aplikacjami do przechowywania energii w sieciach elektroenergetycznych, zasilaczami bezprzerwowymi (UPS), telekomunikacją i lokalnymi systemami magazynowania energii akumulatorowej (BESS).


3) Instytut Czystej Energii Uniwersytetu Waszyngtońskiego


Rysunek 1. Struktura wewnętrznego akumulatora litowo-jonowego.

Wpływ temperatury na wydajność i żywotność akumulatorów litowo-jonowych


Właściwe zarządzanie temperaturą pracy akumulatorów litowo-jonowych ma kluczowe znaczenie dla ich wydajności i bezpiecznej eksploatacji. Dokładne monitorowanie temperatury jest jednym z najważniejszych procesów prawidłowego działania i zarządzania temperaturą w celu zapewnienia najlepszej wydajności i bezpieczeństwa. Większość efektów temperaturowych jest związana z reakcjami chemicznymi zachodzącymi w bateriach i materiałach użytych do ich wytworzenia. Ekstremalne wahania temperatury mogą prowadzić do zmiany szybkości reakcji elektrochemicznej w bateriach, co może objawiać się degradacją wydajności nawet do 40%, skróceniem żywotności i ucieczką termiczną, pożarem lub wybuchem w wysokich temperaturach. Skutki niskich temperatur.


Skutki niskiej temperatury


Wydajność i struktura chemiczna baterii litowych ulegną pogorszeniu poniżej 0°C. Ten rozkład w niskich temperaturach można przypisać kilku różnym źródłom (4. Po pierwsze, niska temperatura wpłynie na właściwości elektrolitu. Wraz ze spadkiem temperatury wzrośnie lepkość elektrolitu, co zmniejszy przewodnictwo jonowe (zdolność swobodny ruch jonów), a rezystancja wewnętrzna wzrośnie następnie w wyniku wzrostu impedancji kierunkowej migracji jonów chemicznych. Może to zmniejszyć napięcie robocze, jak również pojemność ładowania nawet o 23%, ponieważ zwiększona impedancja powoduje wysoką wewnętrzną rezystancję przenoszenia ładunku.Ponieważ rezystancja przenoszenia ładunku rozładowanego akumulatora jest zwykle znacznie wyższa niż naładowanego, ładowanie akumulatora w niskich temperaturach jest trudniejsze niż jego rozładowanie i może spowodować uszkodzenie anodę węglową z powlekania litem. Spowoduje to trwałe zmniejszenie pojemności i wydajności akumulatora.


Skutki wysokiej temperatury


Praca w wysokich temperaturach stwarza większe wyzwania niż w niskich temperaturach, ponieważ katastrofalna awaria baterii może doprowadzić do pożaru lub wybuchu. Jak wspomniano wcześniej, ogniwa akumulatorów litowo-jonowych dostarczają energii poprzez elektrochemiczny ruch jonów litu między anodą a katodą. Jednak przy dużych szybkościach rozładowania ta reakcja chemiczna wytwarza ciepło. W związku z tym akumulatory muszą być odpowiednio dobrane, aby obsługiwały dowolne zastosowanie, w którym stopień rozładowania przekracza 1C. Wytwarzane ciepło jest również sumowane, gdy ogniwa są montowane w pakiet wieloogniwowy, taki jak większość akumulatorów litowo-jonowych dostępnych obecnie na rynku iw zastosowaniach wbudowanych. Ponadto wysokie temperatury przechowywania mogą wpływać na późniejszą wydajność i bezpieczeństwo ogniw akumulatorów litowo-jonowych i należy je wziąć pod uwagę. Warunki przechowywania powyżej 20°C mają wpływ na przyspieszenie naturalnego tempa samorozładowania o 1% miesięcznie, a podwyższona temperatura przechowywania 60°C przez okres dwunastu miesięcy może spowodować rozładowanie ogniw do 40% ich pierwotnej pojemności.


4) Postęp w naukach przyrodniczych: Materials International 28 (2018) 653-666

Ucieczka termiczna


Ucieczka termiczna jest niekontrolowaną reakcją chemiczną (egzotermiczną), podczas której wydzielają się duże ilości ciepła i może wystąpić, gdy baterie są wadliwie wyprodukowane, uszkodzone lub podczas pracy w stanach wysokiej temperatury, w których wysoka temperatura wywołuje reakcję egzotermiczną w pracujących bateriach. Reakcje te uwalniają więcej ciepła, co z kolei dodatkowo sprzyja wzrostowi temperatury wewnątrz akumulatorów. Gdy takie niekontrolowane wytwarzanie ciepła przekroczy wytrzymałość cieplną akumulatorów, może dojść do pożaru i wybuchu. Producenci laptopów, tacy jak Apple i Lenovo, wycofywali swoje produkty z ostatnich dziesięcioleci ze względu na problemy z niekontrolowaną temperaturą (5 . Zrozumienie dynamiki niekontrolowanej temperatury baterii litowo-jonowych jest ważne dla podejścia do zarządzania temperaturą w celu zarządzania wysoką temperaturą. Chociaż czynniki takie jak stan ładowanie (SOC), przenoszenie ciepła i prąd zwarciowy przyczyniają się do nagrzewania do awarii (6 punktów dla akumulatorów litowo-jonowych, wykazano, że LFP nadal są klasyfikowane jako posiadające najwyższy wskaźnik nagrzewania do awarii w obecnej technologii litowo-jonowej. LFP to najbezpieczniejszy typ akumulatorów litowych, ponieważ nie przegrzewają się i nawet w przypadku przebicia nie zapalają się. Rysunek 2 ilustruje całkowite ciepło do uszkodzenia w dżulach dla chemii akumulatorów LFP, LTO i NMC. (7

Rysunek 2. Całkowite ciepło do awarii dla różnych składów chemicznych akumulatorów litowo-jonowych.


5)https://money.cnn.com/2006/08/24/technology/apple_re call/index.htm ;

6)Ilość transferu energii cieplnej mierzona na 1000 dżuli (kJ)

7) https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=9 30032

Starzenie się


Starzenie się baterii litowo-jonowych występuje, gdy ogniwa baterii są poddawane działaniu wysokich temperatur podczas ich pracy. Zmniejsza to wydajność baterii, skraca cykl życia baterii i kalendarzową żywotność baterii.


Zarządzanie temperaturą w celu poprawy wydajności, cyklu życia i bezpieczeństwa


Metody zarządzania temperaturą baterii w celu zapewnienia najwyższej wydajności i żywotności w stanach spoczynku, rozładowania i ładowania obejmują techniki utrzymywania stanu optymalnej temperatury roboczej w aktywnej obudowie i zapewnienie, że temperatury przechowywania nie przekraczają niskich i wysokich parametrów temperaturowych litu -jonowe ogniwa baterii. Integralną częścią tego systemu jest system zarządzania akumulatorami (BMS), który zawiera zabezpieczenia ładowania i rozładowania sterowane temperaturą. BMS musi zapewniać bezpośredni kontaktowy pomiar temperatury ogniw akumulatora za pomocą sondy termicznej, aby stale monitorować akumulator i w razie potrzeby dostosowywać napięcie i prąd do każdego pojedynczego ogniwa lub podgrupy w zestawie akumulatorów. BMS musi działać w połączeniu z pasywnym i aktywnym zarządzaniem temperaturą w celu uzyskania optymalnej temperatury pracy akumulatora, wydajności, żywotności i bezpieczeństwa.


Aktywne zarządzanie ciepłem


Aktywne zarządzanie obejmuje techniki usuwania ciepła z rdzenia i ogniw akumulatora za pomocą systemów chłodzenia na bazie cieczy lub wymuszonego chłodzenia powietrzem. W pojazdach elektrycznych systemy chłodzenia na bazie cieczy są preferowaną metodą ze względu na ich zdolność do efektywnego zarządzania ciepłem i zimnem poprzez przenoszenie ciepła do płynnego medium podczas wysokich i niskich temperatur. Są one sprzężone z wymiennikami ciepła w postaci radiatorów i radiatorów lub prowadnic termicznych umieszczonych pomiędzy modułami ogniw. W przypadku wielkoskalowych systemów łączenia sieci od 1 do 100 megawatów systemy HVAC są wykorzystywane do aktywnego zarządzania gromadzeniem się ciepła w pojemniku akumulatora. W przypadku mniejszych systemów, takich jak na przykład obudowy użytkowe do sygnalizacji drogowej i komunikacji, wymuszony obieg powietrza jest bardziej rozpowszechnioną metodą odprowadzania ciepła. Ogrzewanie w niskiej temperaturze można osiągnąć za pomocą elementów grzejnych lub akumulatorów samonagrzewających się w celu utrzymania optymalnej wydajności.


Pasywne zarządzanie ciepłem


Zarządzanie pasywne opiera się na otworach wentylacyjnych, które wykorzystują różnicę ciśnień powietrza między obudową a zewnętrzną przestrzenią powietrzną lub wymiennikach ciepła w postaci radiatorów do pasywnego odprowadzania ciepła z akumulatora lub obudowy do otaczającego powietrza. Pasywne zarządzanie temperaturą nieznacznie rozszerza zakres działania baterii w niskich i wysokich temperaturach. W przypadku urządzeń takich jak telefony komórkowe metalowa obudowa telefonu służy do wymiany ciepła z powietrzem zewnętrznym. Baterie litowe do elektronarzędzi mają wbudowane w obudowę otwory wentylacyjne, które odprowadzają ciepło z baterii, gdy sprzęt jest używany.


Zarządzanie baterią i temperaturą Sol Donum™


Zaawansowane systemy zarządzania bateriami (BMS) Sol Donum™ i możliwości zarządzania termicznego zostały zaprojektowane tak, aby nasze produkty zapewniały wydajną, niezawodną i bezpieczną pracę w celu zaspokojenia potrzeb naszych klientów w zakresie magazynowania energii i zasilania przy najdłuższej żywotności i najniższych długoterminowych kosztach. Nasze akumulatory wykorzystują pryzmatyczne ogniwa litowo-jonowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4/LFP) z zaawansowanym systemem BMS, aby zapewnić najlepszą równowagę między bezpieczeństwem, gęstością, kosztami i odpornością na temperaturę przy jednoczesnej optymalizacji wydajności i żywotności. Nasz zaawansowany system BMS obejmuje zabezpieczenia przed przegrzaniem i niedogrzaniem ładowania i rozładowania, przepięciem, podnapięciem, równoważeniem ogniw, zabezpieczeniami nadprądowymi i zwarciowymi, aby jeszcze bardziej zapewnić bezpieczeństwo i wydajność akumulatorów. Nasze funkcje zarządzania temperaturą zostały opracowane w celu utrzymania stabilnej wydajności baterii w temperaturach poniżej 5°C i powyżej 40°C w optymalnym zakresie temperatur od -20°C do 50°C.


Wniosek


Akumulatory litowo-jonowe będą nadal dominującą chemią akumulatorów w nadchodzących latach, a postęp w zakresie gęstości energii, rozmiaru i wagi czyni je logicznym wyborem w zastosowaniach, w których nadal dominują kwasy ołowiowe i inne długotrwałe typy. Chociaż większość tych zastosowań będzie miała miejsce w środowiskach o kontrolowanej temperaturze, nadal będą się zdarzać przypadki, w których rozważane będą litowo-jonowe technologie, takie jak szczelne akumulatory kwasowo-ołowiowe i inne akumulatory o większej powierzchni, które są obecnie głównym celem. W zastosowaniach takich jak telekomunikacja i magazynowanie sieciowe chemia litowo-jonowa zastąpi starsze technologie po prostu dlatego, że argument dotyczący kosztów kompensacji ekstremalnych temperatur nie wystarczy, aby zrekompensować oszczędności związane z zamianą, konserwacją, żywotnością i likwidacją/utylizacją litowo-jonowych nad starszymi technologiami. Docelowo opracowane zostaną nowsze akumulatory, które będą działać w surowych środowiskach, obejmując chemię litowo-jonową. Jednak obecne chemie litowo-jonowe można wdrożyć w rozwiązaniach do magazynowania energii, odejmując energię netto i koszty kapitałowe związane ze stosowaniem środków bezpieczeństwa i nadal dostrzegając znaczne korzyści w porównaniu z zamkniętymi akumulatorami kwasowo-ołowiowymi i NiMH.




O Sol Donum™


Sol Donum™ (www.soldonum.com) jest założoną w 2019 r. firmą zajmującą się opracowywaniem i integracją technologii energetycznych z siedzibą w USA. Nasze produkty są budowane do pracy w najtrudniejszych warunkach, a nasz dział usług profesjonalnych zapewnia wsparcie inżynieryjne i techniczne w zakresie rozwiązań do przechowywania akumulatorów i zasilania na całym nasza technologia. Wykorzystując nasze unikalne doświadczenie w zakresie systemów IT i systemów energetycznych, nasz wkład w zdecentralizowaną i pozbawioną emisyjności przyszłość energii polega na naszych produktach do magazynowania energii, które zwiększają istniejącą moc elektryczną, działają niezależnie w celu oszczędności kosztów lub zapewniają bezpośrednie zasilanie awaryjne w celu zapewnienia ciągłości operacji. Czekamy na Twój telefon, aby omówić, w jaki sposób możemy zapewnić przechowywanie baterii dla Twojej organizacji sales@soldonum.com.


Akronimy

°C - Celsjusza

AGM — absorpcyjna mata szklana

BESS - akumulatorowy system magazynowania energii

BMS – system zarządzania baterią

C - Naładuj

EV - pojazd elektryczny

HVAC - Ogrzewanie Wentylacja i Klimatyzacja

LCO - litowo-jonowy tlenek kobaltu

LFP - Żelazofosforan litowo-jonowy

LiFePO4 - litowo-jonowy fosforan żelaza

LMO - litowo-jonowy tlenek manganu

LTO - Tytanian litowo-jonowy

NiCad - niklowo-kadmowy

NiMH - niklowo-metalowo-wodorkowy

NMC - litowo-jonowy niklowo-manganowy tlenek kobaltu

SLA — uszczelniony kwas ołowiowy

SOC — stan naładowania

UPS - zasilacz bezprzerwowy

A- Było

W - wat

Wh - Watogodzina

Share by: