Litium ion batareyaları, insanların çoxunun bu barədə düşündüyü şəkildə həqiqətən güc "yaratmır". Onların etdikləri elektrik enerjisini geri çevrilə bilən elektrokimyəvi reaksiyalar vasitəsilə saxlamaq, sonra xarici dövrə cərəyan tələb etdikdə onu buraxmaqdır. Bununla bağlı çaşqınlıq dizayn görüşlərində çox rast gəlinir, xüsusən də kimsə ilk dəfə batareya paketini ölçməyə çalışarkən.
Boşaltma zamanı iki şey olur. Əvvəlcə litium ionları mənfi elektroddan (anod) elektrolit və ayırıcı vasitəsilə müsbət elektroda (katod) keçir. İkincisi, elektronlar xarici dövrə vasitəsilə anoddan katoda axır, faydalı iş görür. Doldurma zamanı siz ionları və elektronları əks istiqamətdə hərəkət etməyə məcbur edən xarici gərginlik tətbiq etməklə prosesi tərsinə çevirirsiniz.
Hüceyrənin istehsal etdiyi gərginlik tamamilə seçdiyiniz elektrod materiallarından və onların müvafiq elektrokimyəvi potensialından asılıdır. Rəfdə heç bir yük olmadan oturan təzə hüceyrə açıq{1}}dövrə gərginliyini-bir çox litium-ion kimyası üçün adətən 3,6-3,7V arasında göstərəcək, baxmayaraq ki, bu rəqəm yük vəziyyətindən və temperaturdan asılı olaraq hərəkət edir. Bir yük bağladıqdan və cərəyan çəkməyə başladıqdan sonra daxili müqavimət səbəbindən gərginlik düşür. Onun nə qədər düşməsi hüceyrənin sağlamlığı haqqında çox şey deyir.
Hüceyrə Kimyasının Əsasları
Bütün litium-ion hüceyrələri eyni əsas iş prinsipini bölüşür, lakin kimyəvi maddələr geniş şəkildə dəyişir. Katod materialı əsasən hüceyrənin performans xüsusiyyətlərini-enerji sıxlığını, güc qabiliyyətini, dövriyyə müddətini, istilik sabitliyini və dəyərini müəyyən edir.
Laylı oksid katodları ilk kommersiya kimyası idi. Sony onları hələ 1991-ci ildə LiCoO₂ (litium kobalt oksidi) ilə təqdim etdi ki, bu da hələ də istehlakçı elektronikasında enerji sıxlığının xərc və ya təhlükəsizlik marjalarından daha vacib olduğu yerlərdə istifadə olunur. Bu hüceyrələr hüceyrə səviyyəsində təxminən 150-200 Wh/kq toplayır. Kobalt bahalı olsa da, kimya 150 dərəcədən yuxarı qeyri-sabit olur. İstismar edilən hüceyrələrdə 130 dərəcə aşağı temperaturda termal qaçaqlığın başladığını gördük.
1990-cı illərin ortalarında LiMn₂O₄ (litium manqan oksidi) daha yaxşı təhlükəsizlik və aşağı qiymətə səbəb oldu. Manqan kirdən ucuzdur və şpinel quruluşu mahiyyətcə daha sabitdir. Siz adətən 250 dərəcəni keçənə qədər bu hüceyrələr qaçmayacaq. Mübadilə? Enerji sıxlığı 100-120 Wh/kq-a düşür və manqan zamanla, xüsusən də yüksək temperaturda elektrolitdə həll olur. Dövr ömrü əziyyət çəkir - tutum 80% -dən aşağı düşməzdən əvvəl bəlkə 300-700 dövrə baxırsınız.
LiFePO₄ (litium dəmir fosfat) 2001-ci ildə ortaya çıxdı və təhlükəsizlik söhbətini dəyişdirdi. Olivin strukturu termal olaraq qaya-bərkdir; termal qaçaqlıq 270 dərəcədən yuxarı olana qədər baş vermir və hətta daha az şiddətlidir. Dövrün ömrü əladır - 2, 000+ dövr 80% tutum standartdır və bəzi hüceyrələr 5000 dövr ərzində sınaqdan keçirilmişdir. Mənfi tərəfi gərginlikdir: yalnız 3,2V nominal, enerji sıxlığı isə 90-120 Wh/kq ilə məhdudlaşır. Həmçinin, fosfat patentinin vəziyyəti illər boyu qarışıq idi.
NMC (litium nikel manqan kobalt oksidi) və NCA (litium nikel kobalt alüminium oksidi) "balanslaşdırılmış" kimya kimi ortaya çıxdı. Nikel, manqan və kobaltı müxtəlif nisbətlərdə qarışdırmaqla{1}}ümumi olanlar NMC 111, 532, 622 və 811-dir, burada rəqəmlər nisbi metal tərkibini göstərir-performansı tənzimləyə bilərsiniz. Daha yüksək nikel tərkibi enerji sıxlığını 200-250 Wh/kq-a qədər itələyir, lakin istilik sabitliyi və dövriyyə müddəti bahasına başa gəlir. NMC 811 hüceyrələri 250 Wh/kq-a çata bilər, lakin daha diqqətli termal idarəetmə tələb olunur.
Anod tərəfində qrafit ilk gündən standartdır. Nəzəri tutum 372 mAh/g, kommersiya elementləri isə adətən 340-360 mAh/g-a çatır. Litium şarj zamanı qrafen təbəqələri arasında interkalasiya edir və qrafitin həcmini təxminən 10% genişləndirir. Bu mexaniki gərginlik velosiped sürmə zamanı gücün azalmasına səbəb olur.
Təxminən on beş ildir ki, silikon anodlar "növbəti böyük şeydir". Silikonun nəzəri tutumu 4200 mAh/g-qrafitdən on dəfə çoxdur. Problem ondadır ki, silisium litiyumu uduqda 300% genişlənir. Bu, bir neçə dövrədən sonra anodu parçalayır. Mövcud yanaşmalar genişlənməni idarəolunan saxlamaq üçün adətən 10%-dən aşağı silikon tərkibli silisium{8}}qrafit qarışıqlarından istifadə edir. Buna baxmayaraq, ilk{11}}dövrün geri dönməz tutum itkisi silisium tərkibli anodlarda 15-25%, təmiz qrafit üçün isə 5-10% təşkil edir.
Hüceyrə quruluşu və formatları
Silindrik hüceyrələr, yəqin ki, insanların çoxu "batareya" deyəndə təsəvvür etdikləri şeydir. 18650 formatı (diametri 18 mm, uzunluq 65 mm) 2000-ci illərin əvvəllərində noutbuk istehsalçıları standartlaşdırdıqdan sonra hər yerdə istifadə olunmağa başladı. Tesla məşhur olaraq onlardan minlərlə orijinal Roadster-də istifadə etdi. Tipik 18650 tutumu kimyadan və enerji və ya güc üçün optimallaşdırmağınızdan asılı olaraq 2000-3500 mAh işləyir.
Tesla və Panasonic-in birgə inkişaf etdirdiyi daha yeni 21700 formatı (21mm × 70mm) hər bir hüceyrə üçün təxminən 50% daha çox enerji təklif edir - 4.000-5.000 mAh indi ümumidir. Daha böyük diametr aktiv materialın qeyri-aktiv komponentlərə nisbətini artırır (cari kollektorlar, qutular, təhlükəsizlik cihazları), paket səviyyəsində enerji sıxlığını artırır. İstehsal xətləri yenidən qurulmalı idi, bu da qəbulun bir müddət çəkməsinin bir hissəsidir.
Prizmatik hüceyrələr avtomobil sənayesinin kosmosdan daha yaxşı istifadə etmək istəyindən irəli gəlirdi. Bir qutunu silindrlərlə doldurmaq və bütün boş yerləri tərk etmək əvəzinə, səmərəli şəkildə yığılan düzbucaqlı hüceyrələr düzəldirsiniz. Avtomobil{2}} dərəcəli prizmatik elementlər 20Ah-dan 100Ah-dən çox tutum arasında dəyişir. Qablaşdırma nöqteyi-nəzərindən onları termal-idarə etmək daha asandır, çünki siz soyuducu lövhələri birbaşa düz tərəflərə qarşı qoya bilərsiniz. İşin mənfi tərəfi odur ki, bütün yumurtalarınızı daha az səbətdə saxlayırsınız-əgər bir böyük prizmatik hüceyrə sıradan çıxırsa, kiçik silindrik hüceyrənin sıradan çıxmasından daha çox tutum itirirsiniz.
Torba hüceyrələri metal qutunu tamamilə aradan qaldıraraq məkan səmərəliliyi ideyasını daha da irəli aparır. Hüceyrə çevik alüminium-laminat çantada möhürlənib. Bu, prizmatik qutu ilə müqayisədə bəlkə də 10{4}}15% çəkiyə qənaət edir və format son dərəcə çevikdir - siz onları tətbiqin tələb etdiyi istənilən ölçüdə və ya formada edə bilərsiniz. EV istehsalçıları onları bəyənirlər, çünki siz onları birbaşa soyuducu plitələrə yığa bilərsiniz. Zəiflik mexanikidir: velosiped sürmə zamanı elektrodların parçalanmasının qarşısını almaq üçün onlar xarici sıxılmaya ehtiyac duyurlar və ponksiyon zədələnməsinə daha həssasdırlar.
Separator texnologiyası
Ayırıcıya çox diqqət yetirilmir, lakin bu, şübhəsiz ki, ən vacib təhlükəsizlik komponentidir. Bu nazik (adətən 16-25 μm) məsaməli membrandır və litium ionlarının keçməsinə imkan verərkən anod və katodun toxunmamasını təmin edir. İlk ayırıcılar bir qatlı polietilen (PE) və ya polipropilen (PP) idi.
Müasir yüksək performanslı ayırıcılar adətən PP/PE/PP olan üçqat strukturlardan istifadə edir. PE təbəqəsi PP-dən (165 dərəcə) daha aşağı ərimə nöqtəsinə (135 dərəcə) malikdir. Hüceyrə həddindən artıq istiləşməyə başlayırsa, PE əriyir və məsamələri doldurur, temperatur təhlükəli səviyyələrə çatmazdan əvvəl ion nəqlini dayandırır. Buna termal bağlanma deyilir və bu, termal qaçışdan əvvəl son müdafiə xəttinizdir.
Keramika{0}}örtülmüş separatorlar daha bir təhlükəsizlik marjası əlavə edir. Separatorun bir və ya hər iki tərəfində nazik (2-4 μm) alüminium oksidi və ya digər keramika hissəciklərinin örtülməsi polimer ərisə belə struktur bütövlüyünü qoruyur. Kaplama kifayət qədər məsaməlidir ki, ion daşınması davam etsin, lakin o, hətta 150 dərəcədən yuxarı temperaturda da elektrodun qısa{7}}qapanmasının qarşısını alır. İşin mənfi tərəfi -keramika-örtülü seperatorların standart separatorların qiymətindən 2-3 qat daha yüksək işləməsidir və bir qədər yüksək empedansdır.
Məsaməlik adətən 40-50% təşkil edir. Çox aşağı və ion müqaviməti güc qabiliyyətini məhdudlaşdıraraq yüksəlir. Çox yüksək və mexaniki güc əziyyət çəkir. Məsamə ölçüsünün paylanması da vacibdir; Gurley nömrəsi (hava keçirmə testi) standart bir xüsusiyyətdir. Əksər EV dərəcəli separatorlar 200-400 saniyə/100cc hədəf alır.
Elektrolitlərin tərkibi və əlavələri
Litium ion hüceyrəsindəki elektrolit düşündüyünüzdən daha mürəkkəbdir. Əsas formulyasiya adətən üzvi karbonatların qarışığında həll olunan 95%-dən çox hüceyrədə-bir litium duzu-LiPF₆ (litium heksafluorofosfat) olur. Ümumi həlledicilərə etilen karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC) və etil metil karbonat (EMC) daxildir.
LiPF₆ konsentrasiyası adətən təxminən 1,0-1,2 M (molar) təşkil edir. Daha yüksək konsentrasiya ion keçiriciliyini bir nöqtəyə qədər yaxşılaşdırır, lakin 1,3 M və ya ondan çox aşağı temperaturda duz çöküntüsünü almağa başlayırsınız. LiPF₆-in -nəmə{6}}həssas olması ilə bağlı problemləri var və 60 dərəcədən yuxarı - parçalanmağa başlayır, lakin LiBOB və ya LiFSI kimi alternativlər qiymət və ya digər güzəştlərə görə onu hələ də dəyişdirməyib.
Karbonat həlledici qarışığı tətbiq üçün uyğunlaşdırılır. EC yüksək dielektrik sabitliyə və yaxşı SEI-formalaşdırıcı xüsusiyyətlərə malikdir, lakin 36 dərəcədə donur. Aşağı temperatur performansını qorumaq üçün-DMC və ya EMC kimi daha aşağı özlülüklü karbonatlarla qarışdırmalısınız. Tipik formula EC:DMC 1:1 həcm və ya EC:EMC 3:7 ola bilər. Dəqiq nisbətlər mülkiyyətlidir və yaxından qorunur.
Aşqarlar əsl kimya sehrinin baş verdiyi yerdir. Müasir elektrolitlər SEI əmələ gəlməsini dəyişdirən, həddən artıq yüklənmənin qarşısını alan, qaz əmələ gəlməsinin qarşısını alan və ya yüksək temperatur sabitliyini yaxşılaşdıran 2{2}}5% çəkidə müxtəlif əlavələrdən ibarətdir. 1-2% vinilen karbonat (VC) qrafit anodlarında SEI keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq üçün demək olar ki, universaldır. Fluoroetilen karbonat (FEC) silikon tərkibli anodlar üçün daha yaxşı işləyir. Bu birləşmələr ilkin doldurma dövrlərində üstünlük olaraq azalır, anodda ion keçirici, lakin elektron izolyasiya edən qoruyucu təbəqə əmələ gətirir.
Bifenil və ya sikloheksilbenzol kimi həddindən artıq yüklənməyə qarşı qoruyucu əlavələr 4,5V ətrafında polimerləşməyə başlayır və gərginliyin daha da artmasının qarşısını alan daxili şunt yaradır. BMS uğursuz olarsa, bu, sizə müəyyən qorunma təmin edir, baxmayaraq ki, ona etibar etmək ən yaxşı dizayn təcrübəsi deyil.
Bərk elektrolit interfeysinin formalaşması
SEI, ehtimal ki, litium-ion batareyasının işinin ən az başa düşülən, lakin ən vacib aspektidir. İlk bir neçə doldurma dövrü ərzində elektrolit komponentləri anod səthi ilə reaksiyaya girərək passivasiya təbəqəsi əmələ gətirir. Bu təbəqə kritikdir: ion keçirici olmalıdır (litium ionlarının keçməsi üçün), lakin elektron izolyasiyalı olmalıdır (elektrolitin daha da parçalanmasının qarşısını almaq üçün). SEI tərkibi 10-100 nm qalınlığında bir təbəqədə qarışıq-onlarla litium duzları, üzvi birləşmələr və polimerlərdən ibarətdir.
Yaxşı SEI formalaşması 500 dəfə dövr edən hüceyrə ilə 3000 dəfə dövr edən hüceyrə arasındakı fərqdir. Problem ondadır ki, SEI statik deyil. Anodda həcm dəyişikliyi zamanı çatlar, zədələri bərpa etmək üçün daha çox elektrolit və litium istehlak edən təzə səthi ifşa edir. Hüceyrə ilə nəzakətli davransanız belə, velosiped sürmə qabiliyyətinin azalmasının səbəbi budur.
Formasiya velosipedi kritik istehsal mərhələsidir. Hüceyrələr ilkin SEI-ni yaratmaq üçün nəzarət edilən temperaturlarda bir və ya daha yavaş yüklənmə-boşaltma dövrü keçirlər. Yaratma protokolları özəldir, lakin tipik ilk{3}}dövrün doldurulma dərəcələri C/20 ilə C/10 arasındadır və proses 24-48 saat çəkə bilər. İstehsalçılar mümkün olan ən sabit SEI-ni istehsal etmək üçün formalaşma gərginliyi hədlərini, temperaturu, istirahət dövrlərini və velosiped sxemlərini optimallaşdırır. Bu səhv başa düşmək, ömrünüzü başa vurur.
Təqvimin köhnəlməsi{0}}hüceyrənin sadəcə orada oturduğu zaman belə tutum itkisi- də əsasən SEI fenomenidir. SEI açıq dövrədə yavaş-yavaş böyüməyə davam edir, dövrəli litium istehlak edir. Yüksək şarj və yüksək temperaturda saxlama bunu sürətləndirir. 100% SOC və 60 dərəcədə saxlanılan hüceyrə bir ildə 20% tutumunu itirə bilər, 50% SOC və 25 dərəcə olan eyni hüceyrə isə 3% itirə bilər.
Doldurma Protokolları və Batareyanın İdarə Edilməsi
Litium ion hüceyrələri həddindən artıq yüklənməyə, həddindən artıq boşalmaya- və uyğun olmayan temperaturlarda doldurulmağa həssasdır. Buna görə də hər bir çox hüceyrəli batareya paketinə BMS (batareya idarəetmə sistemi) lazımdır.
Standart doldurma üsulu sabit cərəyan/sabit gərginlikdir (CC-CV). CC fazası zamanı siz cərəyanı hüceyrəyə sabit sürətlə-əksər hüceyrələr üçün adətən 0,5C-dən 1C-yə qədər itələyirsiniz, baxmayaraq ki, bəzi yüksək gücə malik hüceyrələr 3C və ya daha çoxunu idarə edə bilir. Hüceyrə yükləndikcə gərginlik yüksəlir. Gərginlik yuxarı həddə çatdıqda (əksər kimya üçün 4.2V, LFP üçün 3.65V, bəzi yüksək enerjili NMC variantları üçün 4.3V və ya 4.35V) CV rejiminə keçirsiniz. Hüceyrə tam yüklənməyə yaxınlaşdıqca cərəyan azalır, adətən cərəyan C/20 və ya C/50-dən aşağı düşəndə kəsilir.
Sürətli doldurma daha mürəkkəbdir. Yüksək yüklənmə dərəcələri anodda litium örtüklənməsini sürətləndirir, bu, təhlükəlidir-metal litium yüksək reaktivdir və separatora nüfuz edən daxili şortlara və ya dendrit əmələ gəlməsinə səbəb ola bilər. Sürətli{3}}təhlükəsiz doldurmaq üçün gərginliyin, cərəyanın və temperaturun litium örtüklə işləmə şərtləri ilə necə qarşılıqlı əlaqədə olduğunu başa düşməlisiniz.
Məsələ burasındadır ki, litium örtüyünü birbaşa möhürlənmiş hüceyrədə ölçə bilməzsiniz. Bunu digər siqnallardan çıxarmaq lazımdır. Bir yanaşma anod potensialını litium metal istinadına qarşı izləməkdir. Əgər anod potensialı Li/Li⁺ ilə müqayisədə 0V-dən aşağı düşərsə, örtük baş verir. Problem ondadır ki, əksər kommersiya hüceyrələrində istinad elektrodları yoxdur.
Sürətli doldurma zamanı temperaturun yüksəlməsi də vacibdir. 2C-də doldurulan hüceyrə, hətta aktiv soyutma ilə belə, daxili temperaturun ətraf mühitdən 15-20 dərəcə yuxarı qalxdığını görə bilər. Soyuq temperaturda bu, həqiqətən faydalıdır-soyuq kamera (məsələn, -10 dərəcə) çox zəif güc qabiliyyətinə malikdir, lakin orta sürətlə (0,5C) doldurmaqla onu qızdıra bilsəniz, performans yaxşılaşır. Bəzi EV-lər əslində bunu məqsədli şəkildə edirlər: soyuq havada, sürücü sürətlənmə üçün yüksək güc tələb etməzdən əvvəl batareyanı qızdırmaq üçün qısa bir yüksək cərəyan doldurma impulsunu işlədəcəklər.
Hüceyrə balansı lazımdır, çünki sıradakı hüceyrələr heç vaxt mükəmməl uyğunlaşmır. İstehsal dözümlülükləri, boşalma dərəcələrindəki kiçik fərqlər- və paket boyunca istilik qradiyenti gərginliyin sürüşməsinə səbəb olur. Bir sıra simi balanslaşdırmadan doldursanız, bəzi hüceyrələr digərlərindən əvvəl yuxarı gərginlik həddinə çatır. Güclü hüceyrələr az yüklənir, zəif hüceyrələr həddindən artıq yüklənir və performans azalır.
Passiv balanslaşdırma daha yüksək gərginlikli hüceyrələrdən enerji çıxarmaq üçün rezistorlardan istifadə edir. Sadə və ucuzdur, lakin enerjini istilik kimi sərf edir. Aktiv balanslaşdırma enerjini yüksək hüceyrələrdən aşağı hüceyrələrə ötürmək üçün DC{3}}DC çeviriciləri və ya kondansatörlərdən istifadə edir. Daha səmərəli, daha mürəkkəb, daha bahalı. 400V EV paketi üçün passiv balanslaşdırma davamlı olaraq 50-100W sərf edə bilər, bu, sürücülük gücü ilə müqayisədə əhəmiyyətsizdir, lakin zamanla əlavə olunur.
Termal İdarəetmə Mülahizələri
Litium ion hüceyrəsində istilik əmələ gəlməsi üç mənbədən gəlir: geri dönməz istilik (daxili müqavimətdən Joule isitmə), geri dönən istilik (elektrokimyəvi reaksiyanın entropiya dəyişməsi) və yan reaksiyalardan istilik. Aşağıdan orta səviyyəyə qədər C-dərəcələrində geri dönən istilik üstünlük təşkil edir. Yüksək C-dərələrində geri dönməz istilik öz üzərinə düşür.
Geri dönən istilik termini maraqlıdır, çünki SOC-dən asılı olaraq işarəni dəyişir. Əksər litium-ion kimyası üçün doldurulma aşağı SOC-da istilik yaradır, lakin yüksək SOC-da istiliyi udur. Boşaltma bunun əksini edir. Krossover nöqtəsi adətən təxminən 50-60% SOC-dir. Buna görə cərəyan kifayət qədər aşağı olarsa, şarjın son mərhələsində hüceyrə temperaturunun həqiqətən düşdüyünü görə bilərsiniz.
Daxili müqavimət temperatur, SOC və yaşlanma ilə dəyişir. 25 dərəcədə təzə 18650 hüceyrə 40-60 milliohm DC müqavimətinə malik ola bilər. -20 dərəcədə 200-300 milliohm-a qədər sıçrayır. Buna görə soyuq havada EV diapazonu belə dramatik şəkildə azalır. Aşağı temperaturda nəinki kimya yavaş olur, həm də daxili müqavimətin artması batareyanın enerjisinin daha çox hissəsinin hüceyrə daxilində istilik kimi sərf olunması deməkdir.
Termal qaçaq həddi kimyadan asılıdır. NMC hüceyrələri üçün ekzotermik parçalanma reaksiyaları 180-220 dərəcə ətrafında başlayır. Başladıqdan sonra temperatur saniyədə 10-50 dərəcə yüksələ, 800 dərəcəyə və ya daha yüksək səviyyəyə çata bilər. LFP daha təhlükəsizdir; termal qaçaq başlanğıc 270 dərəcə + və əldə edilən maksimum temperatur daha aşağıdır.
Paketdəki hüceyrələr arasında yayılma əsl təhlükədir. Bir hüceyrə termal qaçışa girərsə, qonşularını qızdırır. Qonşu hüceyrələrin də qaçıb getməməsi soyutma qabiliyyətindən, hüceyrə aralığından və izolyasiyadan asılıdır. UL 9540A yayılma testi bunu bir hüceyrəni termal qaçmağa məcbur etməklə və qonşu hüceyrələrin təqib edib-etmədiyini izləməklə simulyasiya edir. Yaxşı paket dizaynı bir hüceyrənin və ya ən çox kiçik modulun uğursuzluğunu ehtiva edir.
Soyutma strategiyaları fərqlidir. Havanın soyudulması ən sadə{1}}hüceyrələr və ya paket üzərində hava üfürməkdir. PHEV və ya enerji saxlama sistemləri kimi aşağı enerji sıxlığı tətbiqləri üçün yaxşı işləyir. Yüksək performanslı elektrikli avtomobillər üçün-maye soyutma lazımdır. Əksər dizaynlar soyuq lövhələr və ya soyutma kanalları vasitəsilə dəqiqədə 10-25 litr sürətlə 50:50 su-qlikol qarışığından istifadə edir. Giriş temperaturu adətən 20-35 dərəcəyə qədər idarə olunur. Ən isti hüceyrələrin sürətlə qocalmasının qarşısını almaq üçün batareya paketinin temperatur gradientləri maksimum 5 dərəcədən aşağı olmalıdır.
Bəzi eksperimental dizaynlarda soyuducu soyutma, dielektrik mayeyə daldırma soyudulması və ya faza{0}}dəyişən materiallar istifadə olunur. Soyuducu soyutma daha çox istiliyi çıxara bilər, lakin daha mürəkkəb AC sistemi tələb edir. Daldırma ilə soyutma əla istilik ötürmə əmsallarına malikdir (dolayı maye soyutma üçün 500-2000 Vt/m²K-yə qarşı 50-150 Vt/m²K), lakin sızdırmazlıq və maye uyğunluğu çətinliklər yaradır. PCM-lər passiv işləyir, lakin nəhayət saxlanılan istiliyi rədd etməlidirlər, buna görə də onlar əsasən sürətli doldurma və ya sərt sürətlənmə zamanı müvəqqəti soyutmaya kömək edirlər.
Performansın azalması və uğursuzluq rejimləri
Tutumun azalması və empedans artımı iki əsas deqradasiya mexanizmidir. Onlar eyni vaxtda baş verən bir neçə müxtəlif fiziki və kimyəvi proseslərdən qaynaqlanır.
Anod tərəfində, SEI artımı, müqaviməti artıraraq, dövrəli litium və elektrolit istehlak edir. Hüceyrə interkalasiya əvəzinə qrafit səthində-aşağı temperaturlarda litium plitələrlə yüklənərsə və nəticədə interkalasiya edildikdə qrafit strukturunu parçalayarsa, qrafit aşındırma baş verə bilər. Bu çox vaxt geri dönməzdir. Yüksək temperaturda bağlayıcı parçalanması hissəciklər arasında elektrik əlaqəsinin itməsinə səbəb olur.
Katodun deqradasiyasına keçid metalının əriməsi (xüsusilə LMO-da manqan və ya NMC-də-manqan), təkrar litiumun daxil edilməsi/çıxarılması nəticəsində struktur dəyişiklikləri və yüksək-nikel katodlarında səthin yenidən qurulması daxildir. Həll edilmiş keçid metalları SEI artımını katalizlədiyi anoda miqrasiya edir, buna görə də katodun deqradasiyası dolayı yolla anodun deqradasiyasını sürətləndirir.
Elektrolitlərin parçalanması və qazın yaranması yüksək gərginliklərdə və yüksək temperaturda daha böyük problemlərdir. Ümumi qazlara CO₂, CO və karbonatın parçalanması nəticəsində yaranan müxtəlif karbohidrogenlər daxildir. Kisə hüceyrələrində siz kisənin nəzərəçarpacaq dərəcədə şişdiyini görəcəksiniz. Sərt qutuları olan silindrik və ya prizmatik hüceyrələrdə təhlükəsizlik ventilyasiyası açılana qədər təzyiq artır (adətən 10-15 bar).
Litium inventarının itirilməsi əsas zəifləmə mexanizmidir. Hər dəfə SEI böyüdükdə və ya anodda geri dönməz şəkildə litium plitələri düşdükdə, litiumun bir hissəsi dövrəli litium hovuzundan çıxarılır. Nəhayət, tükənirsiniz və tutum azalır.
Daxili şortlardan qəfil uğursuzluqlar baş verə bilər. Əksər şortlar kiçikdən başlayır-kiçik bir metal hissəcik ayırıcını deşir və ya litium dendrit keçir. Qısa bir qaynar nöqtə yaradır, bu da yerli olaraq deqradasiyanı sürətləndirir, bu da qısalmanı daha da pisləşdirir və siz müsbət rəy döngəsi əldə edirsiniz. Qısa əriyirsə, bəzən hüceyrə-özünü sağaldır. Digər vaxtlarda termal qaçaqlığa doğru irəliləyir.
Dırnaqların nüfuz etmə testləri (polad dırnağı yüklənmiş hüceyrədən keçirməyə məcbur etmək) standart sui-istifadə testidir. LFP hüceyrələri adətən dırnaq nüfuzundan termal qaçmağa getmir. NMC hüceyrələri tez-tez bunu edirlər, baxmayaraq ki, daha yaxşı ayırıcılara və daha aşağı xüsusi enerjiyə malik dizaynlar bəzən keçə bilər.
Şəkil 5 mülayim dövriyyə şəraitində bir neçə kimya üçün tutumun saxlanması ilə dövr sayının qrafikini göstərir (1C yükləmə/boşaltma, 25 dərəcə, 100% DOD).
Təqdimat Vəziyyəti və Sağlamlığın Qiymətləndirilməsi
Litium ion hüceyrəsində nə qədər enerji olduğunu birbaşa ölçə bilməzsiniz. Bunu digər ölçmələrdən təxmin etməlisiniz: gərginlik, cərəyan və temperatur.
Ən sadə SOC qiymətləndirmə üsulu gərginliyə-əsaslanır. Hər bir kimya SOC əyrisinə qarşı xarakterik açıq{2}}dövrə gərginliyinə malikdir. Hüceyrə bir müddət istirahət etdikdən sonra gərginliyi ölçün (daxili müqavimətin azalmasından keçici gərginliyin azalmasına imkan vermək üçün), onu OCV əyrisində axtarın və siz SOC-u bilirsiniz. Problem ondadır ki, real proqramlarda hüceyrənin istirahəti üçün nadir hallarda vaxtınız olur.
Coulomb hesablanması standart yanaşmadır. Şarjı izləmək üçün zamanla cərəyanı inteqrasiya edirsiniz. Əgər məlum SOC-da işə başlasanız, istənilən vaxt yeni SOC-u hesablaya bilərsiniz. Dəqiqlik cari sensorunuzdan (±0,5% tipikdir) və həqiqi tutumu bilməkdən asılıdır. Səhvlər zamanla yığılır, ona görə də tam doldurma və ya boşalma dövrü etməklə vaxtaşırı yenidən kalibrləmə etməlisiniz.
Model{0}}əsaslı üsullar hüceyrənin ekvivalent dövrə modelindən və ya elektrokimyəvi modelindən istifadə edir. Siz terminal gərginliyini və cərəyanını ölçür, onları modelinizdə işlədirsiniz və SOC daxil olmaqla daxili vəziyyətləri çıxarırsınız. Genişləndirilmiş Kalman filtrləri və ya oxşar vəziyyət müşahidəçiləri ümumidir. Bu yanaşmalar çox dəqiq ola bilər (±2% SOC xətası), lakin yaxşı modellər və əhəmiyyətli hesablama resursları tələb edir.
SOH qiymətləndirilməsi daha çətindir, çünki siz yavaş və tədricən olan deqradasiyanın kəmiyyətini müəyyənləşdirməyə çalışırsınız. Tutumun azalması və empedans artımı mütləq bir-biri ilə və ya dövr sayı ilə xətti korrelyasiya etmir. Sürətli{2}}çox yüklənmiş hüceyrə yüksək empedansa malik ola bilər, lakin yalnız orta tutum azalır. Yüksək SOC/temperaturda saxlanılan hüceyrənin tutumu əhəmiyyətli dərəcədə azala bilər, lakin nisbətən aşağı empedans artımı ola bilər.
Sənaye praktikası SOH-u tutum əsasında müəyyən etməkdir: ilkin tutumunun 80%-də olan hüceyrə 80% SOH-dadır və bu, çox vaxt EV tətbiqləri üçün-ömrünün-sonu hesab edilir. Hüceyrə hələ də işləyir, lakin diapazon 20% azalıb. Enerji saxlama tətbiqləri üçün hüceyrələr 60-70% SOH-a qədər istifadə edilə bilər.
Bəzi BMS-lər vaxtaşırı tutum yoxlayır-batareyanı aşağı sürətlə tam boşaldır və nə qədər enerji çıxdığını ölçür. Bu dəqiqdir, lakin müdaxilə edir (batareya sınaq zamanı mövcud deyil) və saatlar çəkir. Digər yanaşmalar gərginlik əyriləri, empedans ölçmələri və ya kulon səmərəliliyi ilə dolayı gücü qiymətləndirməyə çalışır.
Daxili müqavimət cərəyan impulsunun tətbiqi və gərginlik reaksiyasının ölçülməsi və ya müxtəlif tezliklərdə kiçik bir AC siqnalının yeridilməsi (elektrokimyəvi impedans spektroskopiyası) ilə ölçülə bilər. EIS daha çox məlumat verir, lakin kommersiya BMS-lərində nadir hallarda mövcud olan xüsusi avadanlıq tələb edir.
İkinci{0}}Həyat Tətbiqləri və Təkrar Emal
Elektrik batareyası ömrünün-sona çatdıqda (adətən orijinal tutumun 70-80%-i-), o, hələ də daha az tələb olunan tətbiqlər üçün mükəmməl işləyir. İkinci ömür batareyanın istifadəsi stasionar enerjinin saxlanması üçün cəlbedicilik qazanır.
İqtisadiyyat mürəkkəbdir. İstifadə olunmuş paketi sınaqdan keçirməli, potensial olaraq yenidən istehsal etməli (BMS, soyutma sistemi və ya zədələnmiş modulları dəyişdirin), onu yeni tətbiq üçün təsdiq etməli və zəmanət təqdim etməlisiniz. Bütün bunlar pula başa gəlir. İkinci{3}}ömrü mənalı olması üçün yenilənmiş paket stasionar tətbiq üçün nəzərdə tutulmuş yeni paketdən xeyli aşağı olmalıdır. Təmir yeni paketin dəyərinin 40-50%-dən az olsa belə, kimin təhlilinə inandığınızdan asılı olaraq, xərclər kəsilir.
İstifadə olunmuş hüceyrələrin sınaqdan keçirilməsi-əhəmiyyətli deyil. Modulda paralel olaraq yüzlərlə xana- ola bilər. Onları asanlıqla sınaya bilməzsiniz. Siz modulu vahid kimi sınaqdan keçirə bilərsiniz, lakin bir pis hüceyrə özünü maskalaya bilər. Bəzi deqradasiya rejimlərini dağıdıcı sınaq olmadan aşkar etmək çətindir. Məsuliyyət sualı da var: əgər ikinci-batareya alovlanırsa, kim məsuliyyət daşıyır?
Təkrar emal həyat yolunun-sonu-dur. Hazırda iri{3}}miqyaslı təkrar emal pirometallurgiyadan (əritmə) və ya hidrometallurgiyadan (kimyəvi yuyulma) istifadə edir. Pirometallurgiya daha sadədir, lakin daha az seçicidir-əlavə təmizlənməyə ehtiyacı olan qarışıq metal ərintiləri əldə edirsiniz. Hidrometallurgiya ayrı-ayrı metalları daha yüksək təmizlikdə bərpa edə bilər, lakin daha çox addım tələb edir və kimyəvi tullantılar yaradır.
Təkrar emalın iqtisadiyyatı metal qiymətlərindən çox asılıdır. Kobalt dəyərlidir (qiymətlər vəhşicəsinə dəyişsə də, tarixən təxminən 30-40 dollar/kq), ona görə də kobaltla zəngin kimya-ifadəsi iqtisadi cəhətdən sərfəlidir. Nikel miqyasda təkrar emal etməyə dəyər. Manqan, dəmir və alüminium aşağı dəyərli-metallardır, ona görə də onları zibilliklərdən uzaq tutmaq üçün təkrar emal etmək daha məqsədəuyğundur. Litium maraqlıdır - kiloqrama görə o qədər də dəyərli deyil, lakin tədarük məhdudiyyətləri bərpanı cəlbedici edir.
Birbaşa təkrar emal{0}}batareyanın sökülməsi və katod və ya anod materialının metal duzlarına parçalanmadan birbaşa təkrar istifadəsi-qaynar tədqiqat sahəsidir. Katod tozunu istifadəyə yararlı formada bərpa edə bilsəniz, katod sintezinin enerjisinə və xərcinə qənaət edərdiniz. Çətinliklərə aktiv materialın cari kollektorlardan və bağlayıcılardan ayrılması və təkrar emal edilmiş materialın müxtəlif istehsalçıların, yaşların və kimyaların hüceyrələrinin qarışığı olması faktı ilə məşğul olmaq daxildir.
