Избор на структура на батерията за сценарии с висока скорост на зареждане и разреждане: подреждане или навиване?

Основана през 2002 г., компания, специализирана в производството на комуникационно оборудване и интеграция на системи за съхранение на енергия, и доверен партньор на четирите основни телекомуникационни оператора в Китай.

Когато една система за съхранение на енергия трябва едновременно да осигурява висока мощност, реакция на ниво милисекунди и дългосрочна стабилна работа, структурният дизайн на батерията вече не е просто въпрос на производствения процес. Вместо това, той се превръща в основен системен параметър, който определя контрола на вътрешното съпротивление, ефективността на управление на температурата и живота на циклите. Особено в сценарии на зареждане/разреждане 3°C–10°C и нагоре, вътрешната клетъчна структура влияе пряко върху разпределението на съпротивлението, електрохимичната поляризация, пътищата на дифузия на топлината и управлението на механичното напрежение.

За инженерите, занимаващи се с избор на системи за съхранение на енергия, е важно да се разберат фундаменталните разлики между... подредени литиеви батерии намлява ранени клетки при високоскоростни експлоатационни условия е от съществено значение за постигане на надежден системен дизайн.

Тази статия систематично анализира техническите характеристики на различните батерийни конструкции във високоскоростни приложения от множество гледни точки, включително път на тока, електрохимичен импеданс, термодинамично поведение, структурно напрежение и съвместимост със системната интеграция. Изследва се и тяхната практическа инженерна стойност в проектирането на продукти за съхранение на енергия в реалния свят.

1. Електрохимично-структурни механизми на свързване при условия на висока скорост

При условия на ниска скорост (≤1C), загубата на напрежение на батерията се дължи главно на вътрешното съпротивление на материалите и съпротивлението на йонния транспорт на електролита, докато влиянието на структурните различия е относително ограничено.
След като обаче процентът надвиши 3C, омично съпротивление (Rₒ), съпротивление при пренос на заряд (Rct) и концентрационната поляризация се увеличават бързо и започва да се появява проблемът с неравномерното разпределение на тока вътре в клетката.

Напрежението на клемите на батерията може да се изрази като:

където Rₒ е силно корелиран с дължината на токовия път в токоприемника на електрода.

В навита структура токът се предава по дължината на електродния лист, което води до относително дълъг път на електронен транспорт. За разлика от това, подредената структура използва множество паралелно свързани пластини, за да раздели тока, позволявайки му да преминава през електродите в посока на дебелината, значително скъсявайки разстоянието на електронен транспорт. При високоскоростен импулсен разряд тази разлика в пътя на тока се отразява пряко в пада на напрежението и интензитета на генериране на топлина.

Инженерните тестове често показват, че когато скоростта на разреждане се увеличи от 1C до 5C,
Кривата на повишаване на температурата на ранените клетки има забележимо по-стръмен наклон от тази на подредените клетки, което показва
по-изразена концентрация на вътрешна плътност на тока. Този ефект на концентрация не само влияе на моментното
ефективност, но също така ускорява разграждането на SEI филма, като по този начин намалява живота на цикъла.

2. Технически характеристики и ограничения на структурата на раната при висока скорост

Процесът на навиване е най-зрелият технологичен път в индустрията за литиеви батерии и е особено подходящ за цилиндрични клетки и някои призматични клетки. Основната му характеристика е, че катодът, сепараторът и анодът се навиват непрекъснато в последователност... катод-сепаратор-анод-сепаратор за да се образува желеобразна структура.

Този дизайн предлага няколко предимства, включително висока производствена ефективност, зряло оборудване, контролируеми разходи и добра консистентност.

Въпреки това, при приложения с висока скорост, навитите структури са изправени пред няколко физически ограничения, които е трудно да се избегнат.

Първо, дизайни с един или ограничен брой раздели може да доведе до концентрация на ток. Когато през клетката преминава висок ток, той е склонен да протича преференциално през области близо до контактите, създавайки локализирани горещи точки.

Второ, наличието на централно кухо ядро намалява обемното използване, ограничавайки възможностите за по-нататъшно подобрение на енергийната плътност.

Трето, огъването на електродните листове по време на процеса на навиване въвежда остатъчно механично напрежение, което прави отделянето на активен материал по-вероятно по време на чести цикли с висока скорост.

Въпреки че технологиите за многослойно навиване и предварително огъване могат да облекчат някои от тези проблеми, присъщата структура все още води до относително дълги пътища за пренос на електрони и затруднява значителното намаляване на вътрешното съпротивление. Следователно, в приложения, където основната цел е високата скорост на работа, навитите структури постепенно отстъпват място на подредените структури.

3. Структурни предимства и физическа основа на подредените литиеви батерии

Подредени литиеви батерии са конструирани чрез наслояване на катоди, сепаратори и аноди един по един. Основните им предимства са в оптимизирани токови пътища намлява по-равномерно разпределение на напрежението.

Първо, от гледна точка на разпределението на тока, подредените структури обикновено използват няколко раздела паралелно, което позволява по-равномерно разпределение на тока по равнината на електрода. Токът преминава през слоевете на електрода в посока на дебелината, значително скъсявайки пътя и по този начин намалявайки омичното съпротивление. В описаните по-горе сценарии на разряд 5C, полученото подобрение в пада на напрежението става особено изразено.

Второ, по отношение на управлението на температурата, слоестото разположение на подредената структура позволява по-равномерно генериране на топлина, като същевременно елиминира зоната за натрупване на топлина, причинена от кухата сърцевина в навитите клетки. Това по-равномерно разпределение на топлината намалява риска от локално прегряване и осигурява по-благоприятна основа на топлинно поле за проектиране на течно или въздушно охлаждане на модулно ниво.

Трето, по отношение на механичната стабилност, подредените структури избягват огъването на електродите и осигуряват по-равномерно разпределение на напрежението.
По време на високоскоростно циклиране, честотата на разширяване и свиване на електродите се увеличава. Подредената конструкция може да намали риска от деформация на сепаратора и микрокъси съединения, причинени от концентрация на напрежение. Експерименталните данни показват, че при една и съща материална система, подредените клетки обикновено показват... процент на задържане на капацитет с повече от 10% по-висок отколкото ранени клетки при високоскоростно циклично тестване.

4. Значение на енергийната плътност и използването на пространството на системно ниво

При проектирането на системи за съхранение на енергия, енергийната плътност влияе не само върху параметрите на отделната клетка, но и върху цялостния дизайн на шкафа и икономическата стойност на проекта. Централното кухо ядро ​​на навитите клетки неизбежно намалява обемното използване, докато подредените структури подобряват ефективността на запълване на пространството чрез плоскослойно подреждане.

Както теорията, така и практическото приложение показват, че подредените структури могат да постигнат приблизително 5%–10% по-висока обемна енергийна плътност.

За търговските и промишлените системи за съхранение на енергия това подобрение се изразява в:

• По-висок kWh/m³
• По-компактен дизайн на шкаф за съхранение
• По-ниски изисквания за пространство в помещението за оборудване
• По-добра структура на разходите за транспорт и монтаж

Когато мащабът на системата достигне Ниво на MWh, подобрението в използването на пространството, породено от структурните различия, може да се превърне в значителни предимства по отношение на инженерните разходи.

5. Технически предизвикателства на процеса на подреждане и тенденции в индустрията

Процесът на подреждане изисква висока прецизност на оборудването, има относително по-бавно време за производство от навиването и включва по-високи първоначални инвестиции в оборудване. Въпреки това, с напредването на... високоскоростни машини за подреждане, системи за визуално подравняване и интегрирано оборудване за рязане и подреждане, неговата ефективност се е подобрила значително. Някои съвременни съоръжения вече са доближили ефективността на подреждане до тази на процесите на навиване.

Освен това, появата на технология със сухи електроди намлява хибридни интегрирани технологии за вятърна енергия и комина позволява на подредените структури да поддържат предимствата в производителността, като същевременно постепенно намаляват разликата в цените.

Бъдещата конкуренция вече няма да бъде просто въпрос на подреждане срещу навиване, а по-скоро търсене на оптимален баланс между ефективност и производителност на производството.

6. От клетъчна структура до инженерна интеграция на системно ниво

В приложенията за съхранение на енергия, изборът на клетъчна структура трябва да се разглежда в координация с проектирането на системно ниво.

Клетките с ниско съпротивление се представят по-добре в сценарии на паралелно разширение, предлагайки по-добра консистентност на напрежението и улеснявайки работата на BMS (системата за управление на сградата). Оценка на SOC и балансиращ контролВ същото време, техните характеристики на разпределение на топлината са по-подходящи за изискванията за бързо зареждане/разреждане на високомощни инверторни системи.

В дизайна на нашата модулна система за съхранение на енергия, ние използваме... решение за подреждаща се литиево-йонна батерия която комбинира високопроизводителни клетъчни структури с интелигентна система за управление на сградата (BMS), за да постигне гъвкаво разширяване на капацитета и стабилна висока производителност. Системата поддържа бързо зареждане и разреждане, отличава се с дълъг живот на цикъла и ниска поддръжка и е подходяща за търговско и промишлено съхранение на енергия, интеграция на фотоволтаични системи и приложения за резервно захранване с висока мощност.

Модулният дизайн не само намалява първоначалния инвестиционен натиск, но и прави бъдещото разширяване на капацитета по-удобно.

7. Логика на инженерните решения за избор на конструкция

В инженерната практика, изборът на конструкция трябва да бъде цялостно оценен въз основа на следните измерения:

• Ако приложението е предимно ниска тарифа и чувствителност към разходите, структурата на раната предлага предимствата на зрялост и икономическа ефективност.
• Ако системата изисква чести импулси с висок ток, възможност за бързо зареждане/разреждане или дълъг живот на батерията, подредената структура предлага по-силни технически предимства.
• Ако проектът преследва висока плътност на мощността и по-компактен дизайн, подредената структура е превъзходна както по отношение на оползотворяване на пространството, така и по отношение на управлението на топлината.

Същността на високоскоростните приложения е приоритет на мощността, а не приоритет на капацитета.
Когато целта на системата се измести от просто съхранение на енергия към поддръжка на мощността и динамичен отговор, изборът на структура на батерията трябва да се движи към по-ниско вътрешно съпротивление и по-висока еднородност.

Структурата е конкурентоспособност в ерата на високите лихви

Със своя по-къси токови пътища, по-равномерно разпределение на топлината и по-добра механична стабилност- подредена литиева батерия се прилага все по-широко във високоскоростни приложения.

За компаниите, които планират системи за съхранение на енергия или модернизират своите продукти, изборът на правилната структура на батерията е не само технически въпрос, но и въпрос на дългосрочна надеждност и възвръщаемост на инвестициите в проекта.