Jak vybrat sodno-iontové pouzdro a navrhnout spolehlivou baterii

Sodíkové iontové baterie přitahují rostoucí zájem o skladování energie, elektrická dvoukolová vozidla, průmyslová zařízení a aplikace pro lehkou mobilitu. Jejich přitažlivost není založena na jediné výhodě. V závislosti na chemii článku může technologie sodíkových iontů nabídnout dobrý výkon při nízkoteplotním výboji, vysokou energetickou kapacitu, zlepšenou dostupnost surovin a potenciálně stabilnější strukturu nákladů.

Sáčkové balení zároveň poskytuje konstruktérům baterií větší svobodu ohledně rozměrů článků, tloušťky balení a tepelného uspořádání. Sodík-iontová pouzdrová buňka proto může být atraktivní volbou pro projekty, které potřebují lehký, přizpůsobitelný formát baterie spíše než standardní válcový nebo prizmatický článek.

Výběr sodíkového iontového vakuového článku však není pouze záležitostí nahrazení stávajícího LiFePO4 článku sodíkovým iontovým modelem podobné kapacity. Křivka napětí, použitelný rozsah napětí, hustota energie, limity nabíjení, nastavení BMS a mechanická struktura se mohou lišit.

Tato příručka vysvětluje hlavní faktory, které by měly být vyhodnoceny před zahájením projektu sady baterií sodíkových iontů.

Proč se sodíkovo-iontovým sáčkovým článkům dostává více pozornosti

Sodík-iontová technologie je často diskutována jako alternativa k lithium-iontovým bateriím, ale v praktických projektech je přesnější na ni nahlížet jako na další chemii baterií s vlastními přednostmi a omezeními.

To může být zvláště zajímavé pro aplikace, které upřednostňují:

• Provoz v chladném prostředí

• Vysoký výstupní výkon

• Možnost rychlého nabíjení

• Dostupnost materiálu a dlouhodobá kontrola nákladů

• Zlepšená bezpečnost přepravy a skladování

• Vlastní rozměry buněk

• Stacionární aplikace nebo aplikace s lehkou mobilitou, kde maximální hustota energie není jedinou prioritou

Vakové buňky dodávají další vrstvu flexibility. Protože je článek uzavřen ve fólii laminované hliníkem spíše než v pevné ocelové nebo hliníkové plechovce, lze jej vyrábět v širším rozsahu tlouštěk, šířek a délek.

Díky tomu jsou sodno-iontové pouzdrové články relevantní pro vlastní bateriové sady, kde je dostupný prostor nepravidelný nebo kde je třeba pečlivě kontrolovat rozložení hmotnosti a odvod tepla.

1. Nejprve porozumějte chemii sodíkových iontů

Ne všechny sodno-iontové články používají stejné materiály katody a anody. Jejich napěťová platforma, životnost cyklu, výkon při nízkých teplotách a hustota energie se mohou výrazně lišit.

Mezi běžné sodno-iontové katodové systémy patří:

• Vrstvené oxidové materiály

• Materiály pruská modrá nebo pruská bílá

• Polyaniontové materiály

Vrstvené oxidové články jsou často zvažovány, když projekt vyžaduje relativně vysokou hustotu energie a silný výkon.

Systémy Prussian blue a Prussian white mohou nabídnout výhody v ceně, rychlosti a nízkoteplotním provozu, ačkoli jejich výkon do značné míry závisí na kvalitě materiálu a kontrole výroby.

Polyaniontové systémy mohou být vybrány pro projekty, které kladou větší důraz na strukturální stabilitu, bezpečnost a dlouhou životnost.

Z tohoto důvodu by kupující neměli hodnotit sáčkový článek sodíkových iontů pouze podle nominální kapacity. Rovněž by měl být přezkoumán materiálový systém a úplná zkušební data.

2. Zkontrolujte napěťovou platformu a provozní okno

Jednou z prvních otázek v projektu sodíkových iontových baterií je, zda je napětí systému kompatibilní se zamýšleným zařízením.

Mnoho sodíkových iontových článků má jmenovité napětí přibližně 3,0 V až 3,2 V, ale skutečná hodnota závisí na chemii a výrobci.

Rozsah pracovního napětí může být také širší než u LiFePO4. Některé sodno-iontové články mohou pracovat od přibližně 1,5 V nebo 2,0 V na spodním konci do přibližně 4,0 V nebo 4,1 V při plném nabití.

Tyto hodnoty nesmí být považovány za univerzální nastavení. Správné vypínací napětí, vybíjecí napětí a doporučené provozní okno musí vždy pocházet ze specifikace článku.

Široký rozsah napětí ovlivňuje několik oblastí konstrukce baterie:

• Počet buněk zapojených do série

• Maximální a minimální napětí baterie

• Výstupní napětí nabíječky

• Rozsah monitorování napětí BMS

• Kompatibilita s měničem nebo motorem

• Odhad SOC

• Nastavení nízkonapěťové ochrany

Například výměna sady 16S LiFePO4 za sodík-iontovou sadu 16S nemusí vést ke stejnému jmenovitému, plně nabitému nebo plně vybitému napětí sady. Správná sériová konfigurace by proto měla být vypočtena z přijatelného vstupního rozsahu zařízení spíše než zkopírována ze stávající konstrukce lithiové baterie.

3. Realisticky vyhodnoťte kapacitu a hustotu energie

Současné sodno-iontové články mají obecně nižší gravimetrickou hustotu energie než vysokoenergetické lithium-iontové články NMC. V některých komerčních formátech mohou také zůstat pod vyspělými řešeními LiFePO4.

Praktický rozsah hustoty energie pro sodno-iontové pouzdrové články může klesnout kolem 100 až 160 Wh/kg, v závislosti na chemii, konstrukci článku a fázi výroby.

Vrstvené oxidové systémy s vyšší energií mohou být zvažovány pro lehká elektrická vozidla nebo jiné aplikace, kde je důležitá hmotnost a objem balení.

Pro stacionární úložiště, záložní napájení nebo nízkorychlostní zařízení může být hustota energie méně kritická než životnost cyklu, výkon při nízkých teplotách, bezpečnost a náklady.

Při porovnávání článků se nespoléhejte pouze na kapacitu vytištěnou na štítku. Recenze:

• Nominální energie ve watthodinách

• Hmotnost buňky

• Rozměry buňky

• Objemová hustota energie

• Gravimetrická hustota energie

• Použitelná kapacita v doporučeném rozsahu napětí

• Udržení kapacity při zamýšlené rychlosti vybíjení

• Uchování kapacity při nízké teplotě

Článek s vyšší jmenovitou kapacitou nemusí nutně poskytovat více využitelné energie za podmínek vysokého proudu nebo chladného počasí.

4. Přizpůsobte rychlost vybíjení skutečnému zatížení

Sodík-iontové články mohou nabídnout dobrou iontovou vodivost a výkon, ale rychlostní kapacita se mezi modely stále velmi liší.

Některé sodno-iontové vakové články jsou určeny pro skladování energie a mohou podporovat mírný nepřetržitý proud. Jiné jsou optimalizovány pro napájecí aplikace a mohou podporovat výrazně vyšší rychlosti nabíjení a vybíjení.

Návrhář baterie by měl určit:

• Normální trvalý proud

• Špičkový proud

• Doba trvání špičkového proudu

• Frekvence špičkového zatížení

• Regenerační nabíjecí proud

• Maximální proud nabíječky

• Nejnižší očekávaná provozní teplota

U elektrického dvoukolového vozu může baterie zaznamenat krátké špičky zrychlení vysoko nad průměrným jízdním proudem. U systému skladování energie může být zátěž stabilnější, ale může trvat několik hodin.

Průběžné vybíjení článku by mělo být zvoleno na základě trvalého zatížení, zatímco hodnocení pulzu musí odpovídat špičkovému proudu i jeho trvání.

Je také důležité zkontrolovat stejnosměrný vnitřní odpor článku. Článek může technicky podporovat vysoký proud, ale přesto generuje nadměrné teplo, pokud je jeho odpor příliš vysoký.

Produkce tepla se zvyšuje přibližně s druhou mocninou proudu:

Tepelné ztráty ≈ Proud² × Vnitřní odpor

To je důvod, proč zdvojnásobení proudu může způsobit mnohem větší nárůst zahřívání článků.

U vysokorychlostních sodíkových iontových bateriových sad je konzistence vnitřního odporu stejně důležitá jako konzistence kapacity.

5. Ověřte výkon při nízkých teplotách pomocí testovacích křivek

Nízkoteplotní výkon je jednou z nejčastěji diskutovaných výhod sodíkových iontových baterií.

Některé formulace sodíkových iontů si mohou zachovat velkou část své kapacity při pokojové teplotě při -20 °C a některé speciálně navržené články se mohou vybíjet i při ještě nižších teplotách.

Kupující by se však měli vyvarovat předpokladu, že každý sodík-iontový článek funguje dobře při -20 °C nebo -40 °C.

Požádejte dodavatele o aktuální testovací data, včetně:

• Výbojové křivky při 25°C, 0°C, -10°C a -20°C

• Testovací rychlost vybíjení

• Teplota nabíjení před testem

• Napěťová platforma pod nízkoteplotní zátěží

• Udržení kapacity

• Zvýšení vnitřního odporu

• Maximální povolený nízkoteplotní nabíjecí proud

Zvláště důležitá je křivka napětí. Článek může dodávat vysoké procento své jmenovité kapacity při -20 °C, ale zaznamenává velký počáteční pokles napětí při zatížení. To by mohlo způsobit, že BMS nebo ovladač zařízení předčasně spustí nízkonapěťovou ochranu.

Baterie by proto měla být hodnocena jako kompletní systém, nikoli pouze na základě nízkoteplotní kapacity článku.

6. Nepředpokládejte, že nízkoteplotní vybíjení znamená neomezené nabíjení

Sodík-iontový článek, který se může vybíjet při -20 °C, nemusí nutně podporovat nabíjení normální rychlostí při stejné teplotě.

Nízkoteplotní nabíjecí proud by se měl řídit teplotně závislou křivkou snížení specifikovanou výrobcem článku.

Typická kontrolní strategie může zahrnovat:

• Normální nabíjení při mírných teplotách

• Snížený nabíjecí proud pod definovanou teplotu

• Nabíjení velmi nízkým proudem při extrémně nízkých teplotách

• Úplný zákaz nabíjení pod minimální limit výrobce

Přesné prahové hodnoty závisí na chemii buňky.

BMS by měl používat teplotní senzory umístěné blízko článků, zejména v blízkosti oblastí, které budou pravděpodobně chladnější než zbytek balení. U větších balení obvykle nestačí jediné teplotní čidlo.

7. Navrhněte mechanickou kompresi pro pouzdrové články

Na rozdíl od cylindrických článků nebo prizmatických článků s hliníkovým pláštěm nemají váčkové články tuhý vnější plášť.

Hliníková laminovaná fólie je lehká a prostorově nenáročná, vyžaduje však řádnou mechanickou ochranu.

Během cyklování mohou váčkové buňky zaznamenat postupnou změnu tloušťky. Abnormální podmínky, jako je přebití, přehřátí nebo vnitřní degradace, mohou také produkovat plyn a způsobit bobtnání.

Spolehlivá struktura balení by proto měla zahrnovat:

• Pevné koncové desky

• Řízená komprese

• Elastický tlumící materiál

• Separace a izolace buněk

• Ochrana proti ostrým hranám

• Prostor pro očekávané změny tloušťky buněk

• Stabilní rám modulu

Mezi články nebo mezi sestavu článků a koncové desky lze instalovat PU pěnu, silikonovou pěnu nebo jiné kompresní materiály.

Správný kompresní tlak je buněčný. Použití příliš malého tlaku může umožnit nadměrný pohyb a bobtnání, zatímco nadměrný tlak může poškodit svazek elektrod, separátor nebo těsnění sáčku.

Výrobce článku by měl poskytnout doporučené podmínky komprese nebo upevnění, kdykoli je to možné. Obecný tlakový rozsah by neměl být aplikován bez potvrzení návrhu jednotlivých článků.

8. Chraňte jazýčky buněk sáčku

Jazýčky patří mezi mechanicky nejzranitelnější části pouzdra.

Opakované vibrace, ohybové nebo tažné síly mohou poškodit kořen poutka nebo oblast těsnění sáčku. To je zvláště důležité u elektrických motocyklů, mobilních zařízení, námořních aplikací a průmyslových vozidel.

Dobrý návrh modulu by měl:

• Podepřete jazýčky blízko těla buňky

• Zabraňte tomu, aby přípojnice zatěžovala výstupky

• Počítejte s tepelnou roztažností

• Vyhněte se opakovanému ohýbání během montáže

• K udržení zarovnání jazýčků použijte přípravky

• Chraňte oblast těsnění jazýčku před ostrými kovovými součástmi

• Snižte přenos vibrací z krytu

Svařovací nebo spojovací proces musí také odpovídat materiálu a tloušťce poutka. Hliníkové a měděné štítky mohou vyžadovat různé parametry svařování a způsoby spojování.

U silnoproudých projektů by měla být konstrukce přípojnic zkontrolována na hustotu proudu, nárůst teploty a mechanické namáhání.

9. Použijte velký povrch buňky pro řízení teploty

Jednou z výhod formátu sáčku je jeho velká plochá plocha. To může zefektivnit přenos tepla, když je článek správně integrován do modulu.

U nízkorychlostních akumulátorů energie může být teplo odváděno přes povrch článků, rám modulu a kryt baterie.

Pro aplikace s vyšším výkonem může návrh vyžadovat:

• Tepelně vodivé podložky

• Tepelně vodivé lepidlo

• Hliníkové rozvaděče tepla

• Vzduchové kanály

• Chlazení nuceným vzduchem

• Kapalinou chlazené desky

• Tepelné bariéry mezi buňkami

Materiál tepelného rozhraní by měl poskytovat dobrý kontakt bez vytváření nadměrného stlačení.

Důležitá je také konzistence teplot v rámci modulu. Velký teplotní rozdíl mezi články může vést k nerovnoměrnému odporu, nerovnoměrnému stárnutí a rostoucí nerovnováze SOC v průběhu času.

Tepelný návrh by se proto měl zaměřit nejen na maximální teplotu, ale také na teplotní rozdíl napříč celým svazkem článků.

10. Použijte BMS kompatibilní s charakteristikami napětí sodíku a iontů

Standardní LiFePO4 BMS by se neměl automaticky používat pro sadu sodíkových iontů.

V některých případech lze stávající platformu BMS přizpůsobit nastavením softwaru. V jiných případech nemusí analogový přední konec, vzorkovací obvod nebo ochranné komponenty podporovat požadovaný rozsah napětí.

BMS by měl být zkontrolován na:

• Rozsah měření napětí článku

• Nastavení ochrany proti přebití

• Nastavení ochrany proti nadměrnému vybití

• Prahové hodnoty obnovy napětí

• Algoritmus SOC

• Teplotní ochrana

• Snížení nabíjecího proudu

• Strategie vyvažování

• Maximální proud balení

• Ochrana proti zkratu

• Komunikační protokol

Pokud má sodík-iontový článek nižší vybíjecí vypínací napětí než LiFePO4, analogový přední konec BMS musí stále měřit přesně při tomto nízkém napětí.

Nabíječka a regulátor zátěže musí také zůstat kompatibilní s výsledným oknem napětí baterie.

Mohou být sodno-iontové články skladovány při 0V?

Některé sodno-iontové chemie a konstrukce článků mohou podporovat skladování a přepravu při velmi nízkém nebo nulovém napětí.

To může potenciálně zlepšit bezpečnost a zjednodušit některé logistické procesy.

Beznapěťové skladování však není univerzální charakteristikou všech sodíkových iontových článků. Musí být výslovně potvrzeno výrobcem článku a podpořeno validačními údaji.

Baterie by se nikdy neměla vybíjet na 0 V jednoduše proto, že používá sodík-iontovou chemii.

11. Znovu zkalibrujte algoritmus SOC

Vztah mezi napětím naprázdno a stavem nabití je pro každou sodík-iontovou chemii odlišný.

Ve srovnání s LiFePO4 mají některé sodíkové iontové články více skloněnou křivku napětí, což může poskytnout užitečnější informace SOC založené na napětí. I tak je samotné napětí obvykle nedostatečné pro přesný odhad SOC za měnících se zátěžových a teplotních podmínek.

Spolehlivý sodík-iontový BMS může kombinovat:

• Coulombovo počítání

• korekce OCV

• Teplotní kompenzace

• Současná kompenzace

• Korekce stárnutí buněk

• Chemicky specifický model SOC

Správná tabulka OCV-SOC by měla být vytvořena z vybraného sodíkového iontového článku spíše než zkopírována z jiného modelu.

Mělo by být také hodnoceno samovybíjení. Pokud článek během dlouhého skladování zaznamená znatelnou změnu napětí, může BMS po dostatečné době klidu potřebovat periodickou rekalibraci.

12. Vyberte správnou strategii vyvažování

Konzistence článků zůstává důležitá u každé sériově zapojené baterie.

Rozdíly v kapacitě, SOC, vnitřním odporu a samovybíjení mohou postupně zvětšovat napěťovou mezeru mezi články.

U menších sodíkových iontů může stačit pasivní vyvážení. Vhodný vyrovnávací proud závisí na kapacitě baterie, konzistenci článku a dostupné době vyvažování.

U systémů skladování energie s větší kapacitou může nízký vyrovnávací proud trvat příliš dlouho, než koriguje smysluplný rozdíl SOC. Poté lze zvážit aktivní vyvážení.

Než se bude dodavatel buněk spoléhat na BMS, měl by provést řádné třídění a párování buněk na základě faktorů, jako jsou:

• Kapacita

• Napětí naprázdno

• AC vnitřní odpor

• DC vnitřní odpor

• Míra samovybíjení

• Obnova napětí

• Výrobní dávka

Vyvážení by mělo korigovat malé rozdíly během provozu. Nemělo by se používat ke kompenzaci špatně spárovaných buněk.

13. Sestavte plán ověřování specifických pro projekt

Datový list je pouze začátkem projektu baterie.

Před hromadnou výrobou by měly být prototypové obaly testovány za podmínek blízkých skutečné aplikaci.

Plán validace může zahrnovat:

• Testování kapacity

• Vybíjení trvalého proudu

• Testování špičkového proudu

• Testování rychlého nabíjení

• Testování nárůstu teploty

• Nízkoteplotní výboj

• Nízkoteplotní nabíjení

• Testování životnosti cyklu

• Testování vibrací

• Mechanický šok

• Testování komprese

• Ochrana proti přebití

• Ochrana proti nadměrnému vybití

• Ochrana proti zkratu

• Hodnocení šíření tepla

• Dlouhodobé skladování

Požadovaná certifikace závisí na aplikaci a trhu.

IEC 62619 může být relevantní pro průmyslové aplikace sekundárních baterií. GB 38031 platí pro trakční baterie používané v elektrických vozidlech v Číně. Přepravní dokumentace může také obsahovat UN38.3, bezpečnostní list a příslušné posouzení přepravy nebezpečného zboží.

Použitelná norma by měla být potvrzena na základě konečného bateriového bloku, trhu a použití, spíše než vybrána pouze podle typu článku.

Kontrolní seznam projektu sodíkových iontů sáčku

Před potvrzením sodíkového iontového vakuového článku si přečtěte následující otázky:

Elektrické požadavky

• Jaké jsou jmenovité, maximální a minimální systémové napětí?

• Jaký je trvalý provozní proud?

• Jak vysoký je špičkový proud a jak dlouho trvá?

• Jaká je požadovaná doba nabíjení?

• Je součástí regenerativního nabíjení?

Environmentální požadavky

• Jaká je nejnižší výstupní teplota?

• Jaká je nejnižší teplota nabíjení?

• Bude obal vystaven vibracím, vlhkosti nebo solné mlze?

• Je vyžadováno aktivní vytápění nebo chlazení?

Požadavky na buňky

• Jaká sodno-iontová chemie se používá?

• Jaká je skutečná hustota energie?

• Jaké jsou limity nabíjecího a vybíjecího napětí?

• Jaké jsou jmenovité hodnoty trvalého a pulzního proudu?

• Jsou k dispozici nízkoteplotní křivky?

• Jaké kompresní podmínky se doporučují?

Mechanické požadavky

• Je tam dostatek prostoru pro změnu tloušťky?

• Jsou povrchy sáčku chráněny?

• Jsou jazýčky mechanicky podepřeny?

• Je rám modulu dostatečně tuhý?

• Může se teplo přenášet rovnoměrně z každé buňky?

Požadavky na BMS

• Podporuje AFE plný rozsah napětí?

• Jsou prahové hodnoty ochrany nastavitelné?

• Je model SOC vyvinut pro vybraný sodík-iontový článek?

• Je zahrnuto snížení výkonu při nízkoteplotním nabíjení?

• Je vyrovnávací proud vhodný pro kapacitu baterie?

Je sodíkovo-iontový sáček vhodný pro každý projekt?

Ne nutně.

Sodno-iontové pouzdrové články mohou být vysoce konkurenceschopné tam, kde je důležitý výkon při nízkých teplotách, energetická kapacita, bezpečnost, dostupnost materiálu nebo flexibilní rozměry článků.

LiFePO4 může být stále vhodnější, když projekt vyžaduje vyspělý dodavatelský řetězec, široce dostupné systémy nabíjení, ověřená dlouhodobá data v terénu a zavedenou certifikační podporu.

NMC lithium-iontové může zůstat lepší volbou, když jsou nejvyšší prioritou minimální hmotnost a maximální hustota energie.

Rozhodnutí by mělo být založeno na kompletním bateriovém systému, nikoli pouze na marketingu chemie.

Technicky vhodný článek musí pracovat s krytem, ​​chladicím systémem, BMS, nabíječkou, regulátorem, certifikačním plánem a cílovými náklady.

Jak Misen podporuje projekty sodíkových iontových baterií

Misen pracuje se zákazníky na více než individuálních buňkách.

U projektů sodíkových iontových baterií může naše podpora zahrnovat:

• Výběr článků podle požadavků na napětí, kapacitu a proud

• Porovnání sodíkových a lithiových baterií

• Výběr rozměru buňky sáčku

• Přizpůsobení kapacity a vnitřního odporu

• Sériový a paralelní návrh konfigurace

• Doporučení pro mechanickou kompresi

• Návrh připojení jazýčku a přípojnice

• Tepelně-hospodářské plánování

• Sodík-iontová koordinace parametrů BMS

• Vývoj prototypu baterie

• Podpora testování buněk a balení

• OEM a ODM řešení baterií

U nových sodíkových iontových projektů doporučujeme začít se skutečnými aplikačními daty spíše než vybírat článek pouze podle kapacity.

Sdílejte požadované napětí, kapacitu, trvalý proud, špičkový proud, provozní teplotu, dostupné rozměry a očekávané objednané množství. Náš technický tým vám může pomoci vyhodnotit, zda je sodík-iontová pouzdrová buňka technicky a komerčně vhodná pro vaši baterii.

Hledáte sodíkovo-iontové pouzdro nebo vlastní sodíkovo-iontové bateriové řešení? Kontaktujte Misena a prodiskutujte své požadavky na projekt.