انتخاب ساختار باتری برای سناریوهای شارژ و دشارژ با نرخ بالا: انباشتگی یا سیم‌پیچ؟

این شرکت که در سال ۲۰۰۲ تأسیس شد، متخصص در تولید تجهیزات ارتباطی و یکپارچه‌سازی ذخیره‌سازی انرژی و شریک قابل اعتماد چهار اپراتور بزرگ مخابراتی چین است.

وقتی یک سیستم ذخیره انرژی باید همزمان توان خروجی بالا، پاسخ در سطح میلی‌ثانیه و عملکرد پایدار بلندمدت را ارائه دهد، طراحی ساختار باتری دیگر صرفاً یک مسئله فرآیند تولید نیست. در عوض، به یک پارامتر اصلی سیستم تبدیل می‌شود که کنترل مقاومت داخلی، راندمان مدیریت حرارتی و طول عمر چرخه را تعیین می‌کند. به خصوص در سناریوهای شارژ/دشارژ ۳ درجه سانتیگراد تا ۱۰ درجه سانتیگراد و بالاترساختار داخلی سلول مستقیماً بر توزیع مقاومت، قطبش الکتروشیمیایی، مسیرهای انتشار گرما و مدیریت تنش مکانیکی تأثیر می‌گذارد.

برای مهندسانی که در انتخاب سیستم ذخیره انرژی فعالیت دارند، درک تفاوت‌های اساسی بین باتری‌های لیتیومی انباشته و سلول‌های زخم تحت شرایط عملیاتی با نرخ بالا برای دستیابی به طراحی سیستم قابل اعتماد ضروری است.

این مقاله به طور سیستماتیک عملکرد فنی سیستم‌های مختلف را تجزیه و تحلیل می‌کند. ساختارهای باتری در کاربردهای با نرخ بالا از دیدگاه‌های مختلف، از جمله مسیر جریان، امپدانس الکتروشیمیایی، رفتار ترمودینامیکی، تنش ساختاری و سازگاری یکپارچه‌سازی سیستم. همچنین ارزش مهندسی عملی آنها را در طراحی محصول ذخیره‌سازی انرژی در دنیای واقعی بررسی می‌کند.

۱. مکانیسم‌های جفت‌شدگی الکتروشیمیایی-ساختاری تحت شرایط نرخ بالا

در شرایط نرخ شارژ پایین (≤1C)، افت ولتاژ باتری عمدتاً از مقاومت ذاتی مواد و مقاومت انتقال یونی الکترولیت ناشی می‌شود، در حالی که تأثیر تفاوت‌های ساختاری نسبتاً محدود است.
با این حال، هنگامی که نرخ بیش از 3C، مقاومت اهمی (Rₒ) ، مقاومت انتقال بار (Rct) و قطبش غلظتی به سرعت افزایش می‌یابد و مشکل توزیع ناهموار جریان در داخل سلول شروع به پدیدار شدن می‌کند.

ولتاژ ترمینال یک باتری را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

جایی که Rₒ با طول مسیر جریان در جمع کننده جریان الکترود همبستگی بالایی دارد.

در یک ساختار پیچشی، جریان در امتداد طول صفحه الکترود منتقل می‌شود و در نتیجه مسیر انتقال الکترون نسبتاً طولانی خواهد بود. در مقابل، یک ساختار انباشته از چندین زبانه متصل به صورت موازی برای تقسیم جریان استفاده می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا از طریق الکترودها در جهت ضخامت عبور کند و فاصله انتقال الکترون را به طور قابل توجهی کوتاه کند. در تخلیه پالسی با نرخ بالا، این تفاوت در مسیر جریان مستقیماً در افت ولتاژ و شدت تولید گرما منعکس می‌شود.

آزمایش‌های مهندسی اغلب نشان می‌دهند که وقتی نرخ تخلیه از ... افزایش می‌یابد 1C به 5C,
منحنی افزایش دما در سلول‌های زخم شیب تندتری نسبت به سلول‌های روی هم چیده شده دارد که نشان دهنده ...
غلظت بارزتر چگالی جریان داخلی. این اثر غلظت نه تنها بر آنی تأثیر می‌گذارد
راندمان را افزایش می‌دهد، اما تخریب فیلم SEI را نیز تسریع می‌کند و در نتیجه عمر چرخه را کاهش می‌دهد.

۲. ویژگی‌های فنی و محدودیت‌های سرعت بالای ساختار زخم

فرآیند سیم‌پیچ، بالغ‌ترین مسیر تکنولوژیکی در صنعت باتری لیتیومی است و به ویژه برای سلول‌های استوانه‌ای و برخی از سلول‌های منشوری مناسب است. ویژگی اصلی آن این است که کاتد، جداکننده و آند به طور مداوم و به ترتیب پیچیده می‌شوند. جداکننده کاتد-آند-جداکننده تا یک ساختار ژله‌ای-رولی تشکیل شود.

این طرح مزایای متعددی را ارائه می‌دهد، از جمله راندمان تولید بالا، تجهیزات بالغ، هزینه قابل کنترل و ثبات خوب.

با این حال، تحت کاربردهای با سرعت بالا، ساختارهای زخم با چندین محدودیت فیزیکی مواجه هستند که اجتناب از آنها دشوار است.

اول، طرح‌های تک زبانه یا زبانه محدود می‌تواند منجر به تمرکز جریان شود. هنگامی که جریان بالا از سلول عبور می‌کند، جریان تمایل دارد که ترجیحاً از نواحی نزدیک زبانه‌ها عبور کند و نقاط داغ موضعی ایجاد کند.

دوم، حضور یک هسته توخالی مرکزی استفاده حجمی را کاهش می‌دهد و امکان بهبود بیشتر در چگالی انرژی را محدود می‌کند.

سوم، خم شدن ورق‌های الکترود در طول فرآیند سیم‌پیچ، ... تنش مکانیکی پسماندکه باعث می‌شود احتمال ریزش مواد فعال در طول چرخه‌های مکرر با سرعت بالا بیشتر شود.

اگرچه فناوری‌های پیچش چند زبانه و پیش‌خمش می‌توانند برخی از این مشکلات را کاهش دهند، اما ساختار ذاتی آنها همچنان منجر به مسیرهای انتقال الکترون نسبتاً طولانی می‌شود و کاهش قابل توجه مقاومت داخلی را دشوار می‌سازد. بنابراین، در کاربردهایی که عملکرد با سرعت بالا هدف اصلی است، ساختارهای پیچشی به تدریج جای خود را به ساختارهای انباشته می‌دهند.

۳. مزایای ساختاری و اساس فیزیکی باتری‌های لیتیومی انباشته

باتری‌های لیتیومی انباشته با لایه بندی کاتدها، جداکننده‌ها و آندها به صورت یک به یک ساخته می‌شوند. مزایای اصلی آنها در ... نهفته است. مسیرهای فعلی بهینه شده و توزیع تنش یکنواخت‌تر.

اول، از منظر توزیع جریان، ساختارهای انباشته معمولاً از چندین تب به صورت موازی، امکان توزیع جریان یکنواخت‌تر در سراسر صفحه الکترود را فراهم می‌کند. جریان از لایه‌های الکترود در جهت ضخامت عبور می‌کند و مسیر را به طور قابل توجهی کوتاه می‌کند و در نتیجه مقاومت اهمی را کاهش می‌دهد. در سناریوهای تخلیه بالا 5C، بهبود حاصل در افت ولتاژ به طور ویژه‌ای مشهود می‌شود.

دوم، از نظر مدیریت حرارتی، چیدمان لایه‌ای ساختار انباشته‌شده، تولید گرما را یکنواخت‌تر می‌کند، ضمن اینکه ناحیه تجمع گرما ناشی از هسته توخالی در سلول‌های زخمی را نیز از بین می‌برد. این توزیع حرارتی یکنواخت‌تر، خطر گرمای بیش از حد موضعی را کاهش می‌دهد و پایه میدان حرارتی مطلوب‌تری را برای طراحی سیستم خنک‌کننده مایع یا خنک‌کننده هوا در سطح ماژول فراهم می‌کند.

سوم، از نظر پایداری مکانیکی، ساختارهای انباشته از خم شدن الکترود جلوگیری می‌کنند و توزیع تنش یکنواخت‌تری را فراهم می‌کنند.
در طول چرخه‌های با سرعت بالا، فرکانس انبساط و انقباض الکترود افزایش می‌یابد. طراحی انباشته می‌تواند خطر تغییر شکل جداکننده و مدارهای کوتاه میکرو ناشی از تمرکز تنش را کاهش دهد. داده‌های تجربی نشان می‌دهد که تحت سیستم مواد یکسان، سلول‌های انباشته معمولاً ... نرخ حفظ ظرفیت بیش از 10٪ بالاتر نسبت به سلول‌های زخم در آزمایش چرخه با سرعت بالا.

۴. اهمیت چگالی انرژی و استفاده از فضا در سطح سیستم

در طراحی سیستم ذخیره انرژی، چگالی انرژی نه تنها بر پارامترهای یک سلول واحد، بلکه بر طراحی کلی کابینت و اقتصاد پروژه نیز تأثیر می‌گذارد. هسته توخالی مرکزی سلول‌های زخم به ناچار باعث کاهش حجم استفاده می‌شود، در حالی که ساختارهای انباشته از طریق انباشت لایه‌های مسطح، راندمان پر کردن فضا را بهبود می‌بخشند.

هم تئوری و هم کاربرد عملی نشان می‌دهند که ساختارهای روی هم چیده شده می‌توانند تقریباً به این هدف برسند. ۵ تا ۱۰ درصد چگالی انرژی حجمی بالاتر.

برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، این بهبود به موارد زیر منجر می‌شود:

• برتر کیلووات ساعت بر متر مکعب
• طراحی کابینت ذخیره‌سازی فشرده‌تر
• نیاز کمتر به فضای اتاق تجهیزات
• ساختار هزینه حمل و نقل و نصب بهتر

وقتی مقیاس سیستم به حد نهایی می‌رسد سطح مگاوات ساعتبهبود در استفاده از فضا که ناشی از تفاوت‌های ساختاری است، می‌تواند به مزایای قابل توجه در هزینه‌های مهندسی تبدیل شود.

۵. چالش‌های فنی فرآیند انباشت و روندهای صنعت

فرآیند انباشت به دقت بالای تجهیزات نیاز دارد، زمان تولید نسبتاً کندتری نسبت به سیم‌پیچ دارد و شامل سرمایه‌گذاری اولیه تجهیزات بیشتری است. با این حال، با بلوغ ماشین‌های انباشت سریع، سیستم‌های تنظیم بینایی و تجهیزات برش و انباشت یکپارچهبرخی از تجهیزات پیشرفته، راندمان انباشت را به راندمان فرآیندهای سیم‌پیچ نزدیک کرده‌اند.

علاوه بر این، ظهور فناوری الکترود خشک و فناوری‌های ترکیبی پشته-باد یکپارچه ساختارهای انباشته را قادر می‌سازد تا مزایای عملکرد را حفظ کنند و در عین حال به تدریج شکاف هزینه را کاهش دهند.

رقابت‌های آینده دیگر صرفاً مسئله‌ی انباشتن در مقابل پیچیدن نخواهد بود، بلکه جستجویی برای تعادل بهینه بین ... راندمان و عملکرد تولید.

۶. از ساختار سلولی تا یکپارچه‌سازی مهندسی در سطح سیستم

در کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی، انتخاب ساختار سلول باید هماهنگ با طراحی سطح سیستم در نظر گرفته شود.

سلول‌های انباشته با مقاومت کم در سناریوهای توسعه موازی عملکرد بهتری دارند، ثبات ولتاژ بهتری ارائه می‌دهند و عملکرد BMS را آسان‌تر می‌کنند. تخمین SOC و کنترل متعادل‌سازیدر عین حال، ویژگی‌های توزیع حرارتی آنها برای نیازهای شارژ/دشارژ سریع سیستم‌های اینورتر با توان بالا مناسب‌تر است.

در طراحی سیستم ذخیره انرژی ماژولار، ما یک ... را اتخاذ می‌کنیم. راهکار باتری لیتیوم-یونی قابل انباشت که ساختارهای سلولی با کارایی بالا را با یک BMS هوشمند ترکیب می‌کند تا به گسترش ظرفیت انعطاف‌پذیر و خروجی پایدار با نرخ بالا دست یابد. این سیستم از شارژ و دشارژ سریع پشتیبانی می‌کند، دارای چرخه عمر طولانی و نگهداری کم است و برای ... مناسب است. ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی، یکپارچه‌سازی ذخیره‌سازی فتوولتائیک و کاربردهای برق پشتیبان با توان بالا.

طراحی ماژولار نه تنها فشار سرمایه‌گذاری اولیه را کاهش می‌دهد، بلکه گسترش ظرفیت در آینده را نیز راحت‌تر می‌کند.

۷. منطق تصمیم‌گیری مهندسی برای انتخاب سازه

در عمل مهندسی، انتخاب سازه باید به طور جامع بر اساس ابعاد زیر ارزیابی شود:

• اگر درخواست در درجه اول باشد نرخ پایین و حساس به هزینهساختار زخم مزایای بلوغ و مقرون به صرفه بودن را ارائه می‌دهد.
• اگر سیستم نیاز داشته باشد پالس‌های جریان بالای مکرر، قابلیت شارژ/دشارژ سریع، یا چرخه عمر طولانی، ساختار انباشته مزایای فنی قوی‌تری را ارائه می‌دهد.
• در صورت ادامه پروژه چگالی توان بالا و طراحی جمع و جورتر، ساختار انباشته از نظر استفاده از فضا و مدیریت حرارتی برتر است.

جوهره برنامه‌های کاربردی با نرخ بالا این است که اولویت قدرت به جای اولویت ظرفیت.
وقتی هدف سیستم از ذخیره انرژی ساده به پشتیبانی توان و پاسخ دینامیکی تغییر می‌کند، انتخاب ... ساختار باتری باید به سمت مقاومت داخلی کمتر و یکنواختی بیشتر حرکت کرد.

ساختار، رقابت‌پذیری در عصر نرخ بالای بهره است

با آن مسیرهای جریان کوتاه‌تر، توزیع حرارتی یکنواخت‌تر و پایداری مکانیکی بهتراز باتری لیتیومی انباشته به طور فزاینده‌ای در کاربردهای با نرخ بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای شرکت‌هایی که در حال برنامه‌ریزی سیستم‌های ذخیره انرژی یا ارتقاء محصولات خود هستند، انتخاب ساختار باتری مناسب نه تنها یک مسئله فنی است، بلکه موضوع قابلیت اطمینان بلندمدت و بازگشت سرمایه پروژه نیز می‌باشد.