Новости

Что нужно знать о производстве литий-ионных аккумуляторов
2024-10-29

Обеспечение высокого уровня качества при производстве литий-ионных аккумуляторов имеет решающее значение для предотвращения неудовлетворительной работы и даже рисков для безопасности. Бенджамин Стернкопф, Ян Греори и Дэвид Принс из PI Berlin изучают предпосылки для нахождения «золотой середины» между стоимостью, производительностью и сроком службы аккумулятора.

Распространение перезаряжаемых литий-ионных батарей, используемых в широком спектре приложений, явно привлекло внимание общественности к этой технологии. Дискуссии о различных типах батарей, их свойствах, стоимости и производительности стали популярными темами в частных и профессиональных дискуссиях.

Однако большинство этих обсуждений, как правило, уделяют чрезмерное внимание химии ячеек в батареях. Например, является ли литий-железо-фосфатная батарея более безопасной, чем литий-никель-марганцево-кобальтовая батарея. По правде говоря, на производительность батареи влияет не один, а до пяти основных факторов: химия ячейки, геометрия ячейки, качество производства, соответствие технологии применению и системная интеграция.

Химия ячеек считается «вершиной айсберга». Это наиболее заметная характеристика, но фактическая производительность аккумуляторных систем в реальных приложениях редко зависит в большой степени от химии ячеек. Чаще всего это один из пяти других факторов.

Качество производства является одним из наиболее важных факторов, но и наименее обсуждаемым. Причина этого, вероятно, в том, что химию и геометрию ячеек можно легко обсудить на основе множества информации, доступной в открытом доступе. Соответствие наиболее подходящей химии батареи приложению — это тема, которую можно моделировать и обсуждать с помощью современных вычислительных инструментов. Однако производство и качество производства, как правило, являются внутренним секретом каждого производителя — и часто выявляют явные различия между производителями, даже при использовании одинаковых химических составов. У производителей мало стимулов публиковать подробности о своих производственных процессах в какой-либо форме.


Что такое «система хранения энергии на основе аккумулятора»?


Термин BESS, или система хранения энергии батареи, относится к системе, которая представляет собой нечто большее, чем просто батарея. Для эффективной работы батареи ей нужны дополнительные компоненты. BESS обычно включает в себя систему преобразования энергии, также известную как инвертор, которая включает в себя двунаправленную силовую электронику, используемую для одновременной зарядки и разрядки батареи. Система управления питанием информирует инвертор, когда заряжать и разряжать батареи. Дополнительные системы охлаждения и пожаротушения устанавливаются для предотвращения и сдерживания любых тепловых событий. И, наконец, для поддержки и размещения всей системы необходимы вспомогательные источники питания, а также контейнер для хранения.

Из-за сложности полной BESS эта статья посвящена только батареям и их производству. Для реальных проектов рекомендуется помнить, что батарея — это только часть общей системы. Другие компоненты и взаимодействия между ними необходимо оценивать с той же тщательностью, чтобы достичь высокого уровня производительности и безопасности BESS.

Производство ячеек — сложный процесс, требующий тщательного контроля качества. Изображение: PI Berlin.


Конструкция аккумуляторной стойки


Прежде чем изучать, как производятся элементы батареи, полезно понять, как организована стойка батареи. Элементы батареи по конструкции похожи на батареи сотовых телефонов или ноутбуков, за исключением того, что они намного больше. Элементы объединяются в блок ячеек с помощью последовательного или параллельного соединения. Блоки ячеек собираются в модули с портами связи для измерения температуры и напряжения. Затем эти модули соединяются в стойке, которая обеспечивает последовательное соединение для модулей батареи. Стойка батареи также будет включать в себя систему управления восходящего потока, известную как коммутационное устройство, которое обеспечивает датчики тока и протоколы связи. Важно отметить, что эта компоновка основана на стандартной терминологии IEC, и некоторые могут использовать другую терминологию.

 

Конструкция аккумуляторной батареи


Целью батареи является перемещение электронов от анода к катоду при разрядке батареи. Это достигается за счет перемещения ионов лития, положительно заряженных частиц, через микропористый сепаратор, заполненный электролитом, который предотвращает прохождение электронов. Этот процесс происходит между отрицательно заряженным медным коллектором и положительно заряженным алюминиевым коллектором. Важно иметь однородные поверхности, чтобы ионы лития могли легко проходить.

 

Изготовление аккумулятора


На первый взгляд, батарея состоит из ячеек, модулей и цепочек, что делает ее похожей на PV-панель. Однако основные различия становятся очевидными при сравнении отдельных ячеек. PV-ячейка работает по принципу квантового фотоэлектрического эффекта; батарейная ячейка основана на химических реакциях. Принцип работы батареи больше похож на химический технологический процесс, и, как следствие, производственные процессы существенно различаются.

В отличие от фотоэлектрических элементов, литий-ионные элементы аккумулятора необходимо контролировать индивидуально по напряжению, току и температуре в целях безопасности и производительности. Качество и точность системы управления аккумулятором играют не менее важную роль в производительности и безопасности всей аккумуляторной системы. Это означает, что все процессы, связанные с производством соответствующей электроники, должны управляться аналогично производству фотоэлектрического инвертора.

Создание высокопроизводительной, безопасной аккумуляторной системы — это не ракетостроение, но это требует большого усердия. Основная проблема заключается в создании трехмерной структуры (круглой или призматической ячейки) из в основном двумерной структуры (слоев фольги).

Например, обычная BESS мощностью 50 МВт·ч будет иметь площадь поверхности в размере 500 000 квадратных метров (т. е. примерно 5 000 000 квадратных футов) пар электродов. Это эквивалентно площади 70 футбольных полей. Если BESS подключить к 50 МВт·п фотоэлектрической электростанции, площадь поверхности ячеек аккумулятора будет больше, чем площадь поверхности заряжающих их фотоэлектрических панелей.

Для производства этих ячеек критически важно создать эту поверхность с предельной точностью. Обычный ориентир заключается в том, что максимальное отклонение толщины поверхности не должно превышать 1%-2%. Если производитель превышает это значение, батарея подвергается более высокому риску стать опасной для безопасности и подвергнуться ускоренному снижению производительности.

Производство аккумулятора можно разделить на четыре основных этапа:
1. Первичный контроль качества и производство электродов
2. Сборка стека ячеек
3. Сушка, заполнение электролитом, форматирование, старение и сортировка.
4. Сборка ячеек в батарею

Изображение на обложке: Качество изготовления литий-ионных аккумуляторов является ключевым фактором, определяющим срок службы. Изображение: PI Berlin.

Это вступительный отрывок статьи, которая полностью опубликована в последнем выпуске нашего ежеквартального технического журнала PV Tech Power (Vol.24) в разделе «Хранение и интеллектуальная энергия», специальном разделе, подготовленном командой Energy-Storage.news. В полной статье подробно рассматриваются все этапы производства, а также обсуждаются другие критические факторы принятия решений, такие как гарантии и тестирование. Чтобы загрузить всю статью как отдельную статью или подписаться на нее или загрузить всю 108-страничную книгу, посетите PV Tech Store.







Потрясающе! Поделиться с: 

Похожие записи