Избор на структура на батерија за сценарија со висока брзина на полнење и празнење: Намотување или намотување?

Основана во 2002 година, специјализирана за производство на комуникациска опрема и интеграција на складирање на енергија, и доверлив партнер на четирите главни телекомуникациски оператори во Кина.

Кога системот за складирање на енергија мора истовремено да испорача висока излезна моќност, одзив од милисекунди и долгорочно стабилно работење, структурниот дизајн на батеријата повеќе не е само прашање на производствениот процес. Наместо тоа, тој станува параметар на основниот систем што ја одредува внатрешната контрола на отпорот, ефикасноста на термичкото управување и животниот циклус. Особено во сценарија на полнење/празнење на 3C–10C и погоре, внатрешната структура на ќелијата директно влијае на распределбата на отпорот, електрохемиската поларизација, патеките на дифузија на топлина и управувањето со механичкиот стрес.

За инженерите ангажирани во изборот на систем за складирање на енергија, разбирањето на фундаменталните разлики помеѓу наредени литиумски батерии клетките на раната под услови на работа со висока брзина е од суштинско значење за постигнување на сигурен дизајн на системот.

Оваа статија систематски ги анализира техничките перформанси на различни структури на батерии во апликации со висока брзина од повеќе перспективи, вклучувајќи ја патеката на струјата, електрохемиската импеданса, термодинамичкото однесување, структурниот стрес и компатибилноста со системската интеграција. Исто така, ја истражува нивната практична инженерска вредност во дизајнот на производи за складирање на енергија во реалниот свет.

1. Електрохемиско-структурни механизми за спојување под услови на висока брзина

Под услови на ниска брзина (≤1C), губењето на напонот на батеријата главно доаѓа од вродената отпорност на материјалите и отпорноста на јонски транспорт на електролитот, додека влијанието на структурните разлики е релативно ограничено.
Сепак, откако стапката ќе надмине 3C, омски отпор (Rₒ), отпор на пренос на полнеж (Rct), и поларизацијата на концентрацијата брзо се зголемува, и почнува да се појавува проблемот со нееднаквата распределба на струјата во ќелијата.

Напонот на терминалите на батеријата може да се изрази како:

каде Rₒ е во голема мера корелирано со должината на патеката на струјата во колекторот на струја на електродата.

Во намотана структура, струјата се пренесува по должината на листот на електродата, што резултира со релативно долг пат на транспорт на електрони. Спротивно на тоа, наредената структура користи повеќе јазичиња поврзани паралелно за да ја раздели струјата, дозволувајќи ѝ да помине низ електродите во насока на дебелината, значително скратувајќи го растојанието на транспорт на електрони. При празнење со голема брзина на импулси, оваа разлика во патот на струјата директно се одразува на падот на напонот и интензитетот на генерирање топлина.

Инженерските тестови често покажуваат дека кога стапката на испуштање се зголемува од 1C до 5C,
кривата на пораст на температурата на клетките на раната има значително пострмен наклон од оној на наредените клетки, што укажува на
поизразена концентрација на внатрешна густина на струја. Овој ефект на концентрација не влијае само на моменталниот
ефикасност, но исто така го забрзува деградацијата на SEI филмот, со што се намалува животниот век на траење.

2. Технички карактеристики и ограничувања на структурата на раната со висока стапка

Процесот на намотување е најзрелиот технолошки пат во индустријата за литиумски батерии и е особено погоден за цилиндрични ќелии и некои призматични ќелии. Неговата основна карактеристика е што катодата, сепараторот и анодата се континуирано намотуваат по низа од... катода-сепаратор-анода-сепаратор за да се формира структура во форма на желе-ролат.

Овој дизајн нуди неколку предности, вклучувајќи висока ефикасност на производството, зрела опрема, контролирани трошоци и добра конзистентност.

Сепак, при апликации со висока брзина, структурите на раните се соочуваат со неколку физички ограничувања кои е тешко да се избегнат.

Прво, дизајни со еден јазиче или со ограничени јазиче може да доведе до концентрација на струја. Кога низ ќелијата поминува висока струја, струјата има тенденција да тече претежно низ регионите во близина на јазичињата, создавајќи локализирани жаришта.

Второ, присуството на централно шупливо јадро го намалува волуметриското искористување, ограничувајќи го просторот за понатамошно подобрување на густината на енергијата.

Трето, свиткувањето на листовите на електродите за време на процесот на намотување воведува преостанат механички стрес, што го зголемува веројатноста за распаѓање на активниот материјал за време на чести циклуси со голема брзина.

Иако технологиите за намотување со повеќе јазичиња и претходно свиткување можат да ублажат некои од овие проблеми, вродената структура сè уште резултира со релативно долги патеки за транспорт на електрони и го отежнува значителното намалување на внатрешниот отпор. Затоа, во апликации каде што високата брзина на перформанси е примарна цел, намотаните структури постепено отстапуваат место на наредени структури.

3. Структурни предности и физичка основа на наредени литиумски батерии

Наредени литиумски батерии се конструираат со слоевито поставување на катоди, сепаратори и аноди една по една. Нивните основни предности лежат во оптимизирани тековни патеки порамномерна распределба на стресот.

Прво, од перспектива на тековната дистрибуција, наредените структури обично користат повеќе јазичиња паралелно, овозможувајќи порамномерна распределба на струјата низ рамнината на електродата. Струјата поминува низ слоевите на електродата во насока на дебелината, значително скратувајќи го патот и со тоа намалувајќи го омскиот отпор. Во сценаријата на празнење погоре 5C, резултирачкото подобрување на падот на напонот станува особено изразено.

Второ, во однос на термичкото управување, слоевитиот распоред на наредената структура овозможува генерирањето на топлина да биде порамномерно, а воедно ја елиминира зоната на акумулација на топлина предизвикана од шупливото јадро во клетките на намотката. Оваа порамномерна термичка распределба го намалува ризикот од локално прегревање и обезбедува поповолна основа за термичко поле за дизајн на систем за ладење со течност или воздушно ладење на ниво на модул.

Трето, во однос на механичката стабилност, наредените структури избегнуваат свиткување на електродите и обезбедуваат порамномерна распределба на напрегањето.
За време на циклусот со голема брзина, фреквенцијата на ширење и контракција на електродите се зголемува. Дизајнот на наредени елементи може да го намали ризикот од деформација на сепараторот и микрократки споеви предизвикани од концентрација на стрес. Експерименталните податоци покажуваат дека, под истиот систем на материјали, наредените елементи обично покажуваат стапка на задржување на капацитетот е повеќе од 10% повисока отколку клетките на раната при тестирање со циклус со висока брзина.

4. Значење на густината на енергијата и искористеноста на просторот на системско ниво

Во дизајнот на систем за складирање на енергија, густината на енергија влијае не само на параметрите на една ќелија, туку и на целокупниот дизајн на кабинетот и економијата на проектот. Централното шупливо јадро на намотаните ќелии неизбежно го намалува волуметриското искористување, додека наредените структури ја подобруваат ефикасноста на пополнување на просторот преку наредување во рамни слоеви.

И теоријата и практичната примена покажуваат дека наредените структури можат да постигнат приближно 5%–10% поголема волуметриска густина на енергија.

За комерцијални и индустриски системи за складирање на енергија, ова подобрување се преведува во:

• Повисоки kWh/m³
• Покомпактен дизајн на кабинет за складирање
• Помали барања за простор во просторијата за опрема
• Подобра структура на трошоци за транспорт и инсталација

Кога скалата на системот ќе достигне Ниво на MWh, подобрувањето во искористувањето на просторот предизвикано од структурните разлики може да се претвори во значајни предности во трошоците за инженерство.

5. Технички предизвици на процесот на стекирање и трендови во индустријата

Процесот на редење бара висока прецизност на опремата, има релативно побавно време на производство од намотувањето и вклучува поголема почетна инвестиција во опрема. Сепак, со зрелоста на машини за редење со голема брзина, системи за усогласување на видот и интегрирана опрема за сечење и редење, неговата ефикасност значително се подобри. Некоја напредна опрема веќе ја доближи ефикасноста на редење до онаа на процесите на намотување.

Покрај тоа, појавата на технологија на сува електрода хибридни интегрирани технологии за стек и ветер им овозможува на наредените структури да ги одржат предностите во перформансите, а воедно постепено да го намалат јазот во трошоците.

Идната конкуренција повеќе нема да биде само прашање на редење наспроти намотување, туку потрага по оптимална рамнотежа помеѓу ефикасност и перформанси на производството.

6. Од структура на клетки до интеграција на инженерство на системско ниво

Во апликациите за складирање на енергија, изборот на структурата на ќелиите мора да се земе предвид во координација со дизајнот на системско ниво.

Наслоените ќелии со низок отпор работат подобро во сценарија за паралелно проширување, нудејќи подобра конзистентност на напонот и олеснувајќи ја работата на BMS. Проценка на SOC и контрола на балансирањеВо исто време, нивните карактеристики на термичка дистрибуција се подобро прилагодени на барањата за брзо полнење/празнење на инвертерските системи со голема моќност.

Во нашиот модуларен дизајн на систем за складирање на енергија, ние усвојуваме решение за литиум-јонска батерија што може да се реди еден врз друг што комбинира високо-перформансни структури на ќелии со интелигентен BMS за да се постигне флексибилно проширување на капацитетот и стабилно производство со висока брзина. Системот поддржува брзо полнење и празнење, има долг век на траење и ниско ниво на одржување и е погоден за комерцијално и индустриско складирање на енергија, интеграција со фотоволтаични складишта и апликации за резервна моќност со голема моќност.

Модуларниот дизајн не само што го намалува притисокот за почетни инвестиции, туку го прави и идното проширување на капацитетот попогодно.

7. Логика на инженерски одлуки за избор на структура

Во инженерската пракса, изборот на конструкција треба сеопфатно да се оцени врз основа на следниве димензии:

• Ако апликацијата е првенствено ниска цена и чувствителна на трошоци, структурата на раната нуди предности на зрелост и економичност.
• Доколку системот бара чести импулси со висока струја, можност за брзо полнење/празнење или долг циклус на траење, наредената структура нуди посилни технички предности.
• Доколку проектот продолжи висока густина на моќност и покомпактен дизајн, наредената структура е супериорна во однос на искористувањето на просторот и управувањето со топлината.

Суштината на апликациите со висока брзина е приоритет на моќност наместо приоритет на капацитет.
Кога целта на системот се менува од едноставно складирање на енергија кон поддршка на енергија и динамичен одговор, изборот на структура на батеријата мора да се движи кон помал внатрешен отпор и поголема униформност.

Структурата е конкурентност во ерата на високи стапки

Со своите пократки струјни патеки, порамномерна термичка распределба и подобра механичка стабилност, наредени литиумски батерии се применува сè пошироко во апликации со висока брзина.

За компаниите што планираат системи за складирање на енергија или ги надградуваат своите производи, изборот на вистинската структура на батеријата не е само техничко прашање, туку и прашање на долгорочна сигурност и поврат на инвестицијата во проектот.