Sådan vælger du natrium-ion-poseceller og designer en pålidelig batteripakke

Natrium-ion-batterier tiltrækker stigende interesse for energilagring, elektriske tohjulede motorer, industrielt udstyr og lette mobilitetsapplikationer. Deres appel er ikke baseret på en enkelt fordel. Afhængigt af cellekemien kan natrium-ion-teknologi tilbyde god afladningsydelse ved lav temperatur, stærk kraftkapacitet, forbedret tilgængelighed af råmaterialer og en potentielt mere stabil omkostningsstruktur.

Samtidig giver poseemballage batteridesignere større frihed over celledimensioner, pakketykkelse og termisk layout. En natriumion-posecelle kan derfor være en attraktiv mulighed for projekter, der har brug for et letvægts, tilpasseligt batteriformat frem for en standard cylindrisk eller prismatisk celle.

Men at vælge en natriumion-posecelle er ikke blot et spørgsmål om at erstatte en eksisterende LiFePO4-celle med en natriumionmodel med tilsvarende kapacitet. Spændingskurven, anvendeligt spændingsområde, energitæthed, opladningsgrænser, BMS-indstillinger og mekanisk struktur kan alle være forskellige.

Denne vejledning forklarer de vigtigste faktorer, der bør evalueres, før du starter et projekt med en natriumion-posebatteripakke.

Hvorfor natrium-ion-poseceller får mere opmærksomhed

Natrium-ion-teknologi diskuteres ofte som et alternativ til lithium-ion-batterier, men i praktiske projekter er det mere præcist at se det som en anden batterikemi med sine egne styrker og begrænsninger.

Det kan især være interessant for applikationer, der prioriterer:

• Drift i kolde omgivelser

• Høj effekt

• Mulighed for hurtig opladning

• Materialetilgængelighed og langsigtet omkostningskontrol

• Forbedret transport- og opbevaringssikkerhed

• Tilpassede celledimensioner

• Stationære eller let-mobilitetsapplikationer, hvor maksimal energitæthed ikke er den eneste prioritet

Poseceller tilføjer endnu et lag af fleksibilitet. Fordi cellen er indesluttet i en aluminium-lamineret film i stedet for en stiv stål- eller aluminiumsdåse, kan den fremstilles i et bredere udvalg af tykkelser, bredder og længder.

Dette gør natriumion-poseceller relevante for brugerdefinerede batteripakker, hvor den tilgængelige plads er uregelmæssig, eller hvor vægtfordeling og varmeafledning skal kontrolleres omhyggeligt.

1. Forstå natrium-ioncellekemien først

Ikke alle natriumionceller bruger de samme katode- og anodematerialer. Deres spændingsplatform, cykluslevetid, lavtemperaturydelse og energitæthed kan variere betydeligt.

Almindelige natrium-ion katodesystemer omfatter:

• Lagdelte oxidmaterialer

• Preussisk blå eller preussisk hvide materialer

• Polyanioniske materialer

Lagdelte oxidceller overvejes ofte, når projektet kræver relativt høj energitæthed og stærk effektydelse.

Preussiske blå og preussiske hvide systemer kan tilbyde fordele med hensyn til omkostninger, hastighedskapacitet og lavtemperaturdrift, selvom deres ydeevne afhænger stærkt af materialekvalitet og produktionskontrol.

Polyanioniske systemer kan vælges til projekter, der lægger større vægt på strukturel stabilitet, sikkerhed og lang levetid.

Af denne grund bør købere ikke vurdere en natriumion-posecelle alene ud fra nominel kapacitet. Materialesystemet og de fulde testdata bør også gennemgås.

2. Kontroller spændingsplatformen og betjeningsvinduet

Et af de første spørgsmål i et natrium-ion-batteriprojekt er, om systemspændingen er kompatibel med det tilsigtede udstyr.

Mange natrium-ion-celler har en nominel spænding på cirka 3,0 V til 3,2 V, men den faktiske værdi afhænger af kemien og producenten.

Arbejdsspændingsområdet kan også være bredere end LiFePO4. Nogle natriumionceller kan fungere fra omkring 1,5V eller 2,0V i den nedre ende til cirka 4,0V eller 4,1V ved fuld opladning.

Disse værdier må ikke behandles som universelle indstillinger. Den korrekte ladespærringsspænding, afladningsafskæringsspænding og anbefalet driftsvindue skal altid komme fra cellespecifikationen.

Et bredt spændingsområde påvirker flere områder af batteripakkens design:

• Antallet af celler forbundet i serie

• Maksimal og minimum batterispænding

• Opladerens udgangsspænding

• BMS spændingsovervågningsområde

• Inverter eller motor-controller kompatibilitet

• SOC estimering

• Lavspændingsbeskyttelsesindstillinger

For eksempel vil udskiftning af en 16S LiFePO4-pakke med en 16S natriumion-pakke muligvis ikke producere den samme nominelle, fuldt opladede eller fuldt afladede pakkespænding. Den korrekte seriekonfiguration bør derfor beregnes ud fra udstyrets acceptable inputområde i stedet for at kopieres fra et eksisterende lithiumbatteridesign.

3. Vurder kapacitet og energitæthed realistisk

Nuværende natrium-ion-celler har generelt en lavere gravimetrisk energitæthed end højenergi-NMC-lithium-ion-celler. De kan også forblive under modne LiFePO4-løsninger i nogle kommercielle formater.

Et praktisk energitæthedsområde for natriumion-poseceller kan falde omkring 100 til 160Wh/kg, afhængigt af kemien, celledesignet og produktionsstadiet.

Lagdelte oxidsystemer med højere energi kan overvejes til lette elektriske køretøjer eller andre applikationer, hvor pakkevægt og volumen er vigtige.

For stationær lagring, backup-strøm eller lavhastighedsudstyr kan energitætheden være mindre kritisk end cykluslevetid, lavtemperaturydelse, sikkerhed og omkostninger.

Når du sammenligner celler, skal du ikke kun stole på den kapacitet, der er trykt på etiketten. Anmeldelse:

• Nominel energi i watt-timer

• Cellevægt

• Celledimensioner

• Volumetrisk energitæthed

• Gravimetrisk energitæthed

• Brugbar kapacitet inden for det anbefalede spændingsområde

• Kapacitetsbevarelse ved den tilsigtede udledningshastighed

• Kapacitetsopbevaring ved lav temperatur

En celle med en højere nominel kapacitet giver ikke nødvendigvis mere brugbar energi under højstrøm eller koldt vejr.

4. Tilpas afladningshastigheden til den reelle belastning

Natrium-ion-celler kan tilbyde god ionisk ledningsevne og effektydelse, men hastighedskapaciteten varierer stadig meget mellem modellerne.

Nogle natriumion-poseceller er designet til energilagring og kan understøtte moderat kontinuerlig strøm. Andre er optimeret til strømapplikationer og kan understøtte betydeligt højere opladnings- og afladningshastigheder.

Batteridesigneren bør bestemme:

• Normal kontinuerlig strøm

• Spidsstrøm

• Varighed af spidsstrøm

• Hyppighed af spidsbelastninger

• Regenerativ ladestrøm

• Maksimal opladerstrøm

• Laveste forventede driftstemperatur

For en elektrisk tohjulet motor kan batteriet opleve korte accelerationstoppe langt over den gennemsnitlige kørestrøm. For et energilagringssystem kan belastningen være mere stabil, men kan fortsætte i flere timer.

Cellens kontinuerlige afladningsklassificering bør vælges baseret på den vedvarende belastning, mens pulsværdien skal matche både spidsstrømmen og dens varighed.

Det er også vigtigt at kontrollere cellens indre DC-modstand. En celle kan teknisk understøtte en høj strøm, men stadig generere overdreven varme, hvis dens modstand er for høj.

Varmeproduktionen stiger omtrent med kvadratet af strømmen:

Varmetab ≈ Strøm² × Intern modstand

Dette er grunden til, at en fordobling af strømmen kan forårsage en meget større stigning i celleopvarmningen.

For højhastigheds-natrium-ion-pose-batteripakker er intern modstandskonsistens lige så vigtig som kapacitetskonsistens.

5. Bekræft lavtemperaturydelse med testkurver

Ydeevne ved lav temperatur er en af ​​de hyppigst diskuterede fordele ved natrium-ion-batterier.

Nogle natriumion-formuleringer kan bevare en høj andel af deres rumtemperaturkapacitet ved -20°C, og visse specialdesignede celler kan fortsætte med at udlades ved endnu lavere temperaturer.

Købere bør dog undgå at antage, at hver natriumioncelle klarer sig godt ved -20°C eller -40°C.

Spørg leverandøren om faktiske testdata, herunder:

• Udledningskurver ved 25°C, 0°C, -10°C og -20°C

• Test afladningshastighed

• Opladningstemperatur før testen

• Spændingsplatform under lavtemperaturbelastning

• Kapacitetsbevarelse

• Øget indre modstand

• Maksimal tilladt lavtemperatur ladestrøm

Spændingskurven er særlig vigtig. En celle kan levere en høj procentdel af sin nominelle kapacitet ved -20°C, men opleve et stort indledende spændingsfald under belastning. Dette kan få BMS eller udstyrscontroller til at udløse lavspændingsbeskyttelse for tidligt.

Batteripakken bør derfor vurderes som et komplet system frem for kun at være baseret på cellens lavtemperaturkapacitetsprocent.

6. Antag ikke, at lavtemperaturafladning betyder ubegrænset opladning

En natriumioncelle, der kan aflades ved -20°C, understøtter muligvis ikke nødvendigvis normal opladning ved samme temperatur.

Ladestrøm ved lav temperatur skal følge en temperaturafhængig derating-kurve specificeret af celleproducenten.

En typisk kontrolstrategi kan omfatte:

• Normal opladning ved moderate temperaturer

• Reduceret ladestrøm under en defineret temperatur

• Meget lav strøm opladning ved ekstremt lave temperaturer

• Fuldstændig opladningsforbud under producentens minimumsgrænse

De nøjagtige tærskler afhænger af cellekemien.

BMS'en bør bruge temperatursensorer placeret tæt på cellerne, især nær områder, der sandsynligvis er koldere end resten af ​​pakken. For større pakker er en enkelt temperaturføler normalt ikke nok.

7. Design mekanisk kompression til poseceller

I modsætning til cylindriske celler eller aluminium-beklædte prismatiske celler, har poseceller ikke en stiv ydre skal.

Den aluminium-laminerede film er let og pladsbesparende, men den kræver en ordentlig mekanisk beskyttelse.

Under cykling kan poseceller opleve en gradvis tykkelsesændring. Unormale forhold såsom overopladning, overophedning eller intern nedbrydning kan også producere gas og forårsage hævelse.

En pålidelig pakningsstruktur bør derfor omfatte:

• Stive endeplader

• Kontrolleret kompression

• Elastisk stødabsorberende materiale

• Celleadskillelse og isolering

• Beskyttelse mod skarpe kanter

• Plads til forventet celletykkelsesvariation

• En stabil modulramme

PU-skum, silikoneskum eller andre kompressionsmaterialer kan installeres mellem celler eller mellem cellestablen og endepladerne.

Det korrekte kompressionstryk er cellespecifikt. Påføring af for lidt tryk kan tillade overdreven bevægelse og hævelse, mens for højt tryk kan beskadige elektrodestakken, separatoren eller poseforseglingen.

Celleproducenten bør give anbefalede kompressions- eller fiksturforhold, når det er muligt. Et generelt trykområde bør ikke anvendes uden at bekræfte det individuelle celledesign.

8. Beskyt posecelletappene

Fligene er blandt de mest mekanisk sårbare dele af en posecelle.

Gentagne vibrationer, bøjnings- eller trækkræfter kan beskadige faneroden eller poseforseglingsområdet. Dette er især vigtigt i elektriske motorcykler, mobilt udstyr, marineapplikationer og industrikøretøjer.

Et godt moduldesign bør:

• Støt tapperne tæt på cellelegemet

• Undgå, at samleskinnen lægger vægt på tappene

• Tillad termisk udvidelse

• Undgå gentagne bøjninger under montering

• Brug armaturer til at opretholde fanejustering

• Beskyt fligforseglingsområdet mod skarpe metalkomponenter

• Reducer vibrationsoverførsel fra kabinettet

Svejse- eller forbindelsesprocessen skal også matche fligens materiale og tykkelse. Aluminium- og kobbertapper kan kræve forskellige svejseparametre og sammenføjningsmetoder.

Ved højstrømsprojekter bør samleskinnedesignet kontrolleres for strømtæthed, temperaturstigning og mekanisk belastning.

9. Brug den store celleoverflade til termisk styring

En fordel ved poseformatet er dens store flade overflade. Dette kan gøre varmeoverførslen mere effektiv, når cellen er korrekt integreret i modulet.

For lav-rate energilagringspakker kan varme fjernes gennem celleoverfladerne, modulrammen og batterikabinettet.

Til applikationer med højere effekt kan designet kræve:

• Termisk ledende puder

• Termisk ledende klæbemiddel

• Varmespredere i aluminium

• Luftkanaler

• Tvungen luftkøling

• Væskekølede plader

• Termiske barrierer mellem celler

Det termiske grænseflademateriale skal give god kontakt uden at skabe overdreven kompression.

Temperaturkonsistens i modulet er også vigtig. En stor temperaturforskel mellem celler kan føre til ujævn modstand, ujævn aldring og øget SOC-ubalance over tid.

Det termiske design bør derfor ikke kun fokusere på den maksimale temperatur, men også på temperaturforskellen over hele cellestablen.

10. Brug en BMS, der er kompatibel med natrium-ion-spændingskarakteristika

En standard LiFePO4 BMS bør ikke automatisk bruges til en natriumion-batteripakke.

I nogle tilfælde kan en eksisterende BMS-platform tilpasses gennem softwareindstillinger. I andre tilfælde understøtter den analoge frontend, samplingkredsløbet eller beskyttelseskomponenterne muligvis ikke det påkrævede spændingsområde.

BMS skal kontrolleres for:

• Måleområde for cellespænding

• Overopladningsbeskyttelsesindstilling

• Indstilling af beskyttelse mod overafladning

• Spændingsgenvindingstærskler

• SOC algoritme

• Temperaturbeskyttelse

• Ladestrøm derating

• Balancestrategi

• Maksimal pakkestrøm

• Kortslutningsbeskyttelse

• Kommunikationsprotokol

Hvis natrium-ion-cellen har en lavere udladningsafskæringsspænding end LiFePO4, skal den analoge BMS-frontend stadig måle nøjagtigt ved den lave spænding.

Opladeren og belastningsregulatoren skal også forblive kompatible med det resulterende pakkespændingsvindue.

Kan natrium-ionceller opbevares ved 0V?

Nogle natrium-ion-kemier og celledesign kan understøtte meget lav spænding eller nul-spænding opbevaring og transport.

Dette kan potentielt forbedre sikkerheden og forenkle visse logistikprocesser.

Imidlertid er nulspændingslagring ikke en universel karakteristik af alle natriumionceller. Det skal udtrykkeligt bekræftes af celleproducenten og understøttes af valideringsdata.

En batteripakke bør aldrig aflades til 0V, blot fordi den bruger natrium-ion-kemi.

11. Genkalibrer SOC-algoritmen

Forholdet mellem åben kredsløbsspænding og ladningstilstand er forskellig for hver natriumionkemi.

Sammenlignet med LiFePO4 har nogle natriumionceller en mere skrå spændingskurve, hvilket kan give mere nyttig spændingsbaseret SOC-information. Alligevel er spænding alene normalt utilstrækkelig til nøjagtig SOC-estimering under skiftende belastnings- og temperaturforhold.

En pålidelig natrium-ion BMS kan kombinere:

• Coulomb optælling

• OCV korrektion

• Temperaturkompensation

• Nuværende kompensation

• Korrektion af celleældning

• En kemi-specifik SOC-model

Den korrekte OCV-SOC-tabel skal oprettes fra den valgte natriumioncelle i stedet for at kopieres fra en anden model.

Selvudladningsadfærd bør også evalueres. Hvis cellen oplever mærkbar spændingsændring under lang opbevaring, kan BMS have behov for periodisk rekalibrering efter tilstrækkelig hviletid.

12. Vælg den rigtige balanceringsstrategi

Cellekonsistens er fortsat vigtig i hver serieforbundne batteripakke.

Forskelle i kapacitet, SOC, intern modstand og selvafladning kan gradvist øge spændingsgabet mellem celler.

For mindre natrium-ion-pakker kan passiv balancering være tilstrækkelig. Den passende balanceringsstrøm afhænger af pakningskapacitet, cellekonsistens og tilgængelig balanceringstid.

For energilagringssystemer med større kapacitet kan en lav balancerende strøm tage for lang tid at korrigere en meningsfuld SOC-forskel. Aktiv afbalancering kan derefter overvejes.

Før celleleverandøren stoler på BMS, bør celleleverandøren udføre korrekt celleklassificering og matchning baseret på faktorer som:

• Kapacitet

• Åben kredsløbsspænding

• AC intern modstand

• DC intern modstand

• Selvafladningshastighed

• Spændingsgenvinding

• Produktionsbatch

Indregulering bør korrigere små forskelle under drift. Det bør ikke bruges til at kompensere for dårligt matchede celler.

13. Byg en projektspecifik valideringsplan

Et datablad er kun begyndelsen på et batteripakkeprojekt.

Før masseproduktion bør prototypepakker testes under forhold tæt på den virkelige anvendelse.

Valideringsplanen kan omfatte:

• Kapacitetstest

• Kontinuerlig strømudledning

• Spidsstrømstest

• Hurtig opladningstest

• Test af temperaturstigning

• Lav temperatur udledning

• Lav temperatur opladning

• Cyklus-livstest

• Vibrationstest

• Mekanisk stød

• Kompressionstest

• Overopladningsbeskyttelse

• Overafladningsbeskyttelse

• Kortslutningsbeskyttelse

• Vurdering af termisk udbredelse

• Langtidsopbevaring

Den nødvendige certificering afhænger af applikationen og markedet.

IEC 62619 kan være relevant for industrielle sekundære batteriapplikationer. GB 38031 gælder for traktionsbatterier, der bruges i elektriske køretøjer i Kina. Transportdokumentation kan også omfatte UN38.3, et sikkerhedsdatablad og den relevante transportvurdering af farligt gods.

Den gældende standard bør bekræftes baseret på den endelige batteripakke, marked og anvendelse i stedet for kun at vælges i henhold til celletypen.

Natrium-Ion Pouch Cell Project Checkliste

Før du bekræfter en natriumion-posecelle, skal du gennemgå følgende spørgsmål:

Elektriske krav

• Hvad er de nominelle, maksimale og minimale systemspændinger?

• Hvad er den kontinuerlige driftsstrøm?

• Hvor høj er spidsstrømmen, og hvor længe varer den?

• Hvad er den nødvendige opladningstid?

• Er regenerativ opladning involveret?

Miljøkrav

• Hvad er den laveste afgangstemperatur?

• Hvad er den laveste ladetemperatur?

• Vil pakken blive udsat for vibrationer, fugt eller saltspray?

• Er aktiv opvarmning eller køling påkrævet?

Cellekrav

• Hvilken natriumion-kemi bruges?

• Hvad er den faktiske energitæthed?

• Hvad er grænserne for lade- og afladningsspænding?

• Hvad er værdierne for kontinuerlig og pulsstrøm?

• Er lavtemperaturkurver tilgængelige?

• Hvilke kompressionsforhold anbefales?

Mekaniske krav

• Er der plads nok til tykkelsesvariation?

• Er posens overflader beskyttede?

• Er fanerne mekanisk understøttet?

• Er modulrammen tilstrækkelig stiv?

• Kan varme overføres jævnt fra hver celle?

BMS-krav

• Understøtter AFE hele spændingsområdet?

• Er beskyttelsestærskler justerbare?

• Er SOC-modellen udviklet til den udvalgte natriumioncelle?

• Er lavtemperaturopladning derating inkluderet?

• Er balancestrømmen passende til pakkekapaciteten?

Er en natrium-ion-posecelle den rigtige til ethvert projekt?

Ikke nødvendigvis.

Natrium-ion-poseceller kan være yderst konkurrencedygtige, hvor ydeevne ved lav temperatur, effektkapacitet, sikkerhed, materialetilgængelighed eller fleksible celledimensioner er vigtige.

LiFePO4 kan stadig være mere egnet, når projektet kræver en moden forsyningskæde, bredt tilgængelige opladningssystemer, dokumenterede langsigtede feltdata og etableret certificeringsstøtte.

NMC lithium-ion kan forblive det bedre valg, når minimumvægt og maksimal energitæthed er de højeste prioriteter.

Beslutningen bør være baseret på det komplette batterisystem, ikke på kemimarkedsføring alene.

En teknisk egnet celle skal fungere med kabinet, kølesystem, BMS, lader, controller, certificeringsplan og målpris.

Hvordan Misen understøtter natrium-ion-posebatteriprojekter

Misen arbejder med kunder om mere end individuel celleforsyning.

Til natrium-ion-posebatteriprojekter kan vores support omfatte:

• Cellevalg i henhold til spænding, kapacitet og strømkrav

• Natrium-ion og lithium batteri sammenligning

• Valg af posecelledimension

• Tilpasning af kapacitet og intern modstand

• Serie og parallel konfiguration design

• Anbefalinger om mekanisk kompression

• Fane- og samleskinnetilslutningsdesign

• Planlægning af termisk styring

• Natrium-ion BMS parameter koordinering

• Udvikling af prototype batteripakke

• Understøttelse af celle- og pakketest

• OEM og ODM batteriløsninger

For nye natrium-ion-projekter anbefaler vi at begynde med de faktiske applikationsdata i stedet for at vælge en celle fra kapacitet alene.

Del den nødvendige spænding, kapacitet, kontinuerlig strøm, spidsstrøm, driftstemperatur, tilgængelige dimensioner og forventet ordremængde. Vores ingeniørteam kan hjælpe med at vurdere, om en natriumion-posecelle er teknisk og kommercielt egnet til din batteripakke.

Leder du efter en natrium-ion-posecelle eller en tilpasset natrium-ion-batteripakkeløsning? Kontakt Misen for at drøfte dine projektkrav.