Kako odabrati natrij-ionske vrećice i dizajnirati pouzdanu bateriju

Natrij-ionske baterije privlače sve veći interes za pohranu energije, električna vozila na dva kotača, industrijsku opremu i aplikacije za laku mobilnost. Njihova privlačnost ne temelji se samo na jednoj prednosti. Ovisno o kemiji ćelije, natrij-ionska tehnologija može ponuditi dobre performanse pražnjenja pri niskim temperaturama, jaku sposobnost napajanja, poboljšanu dostupnost sirovina i potencijalno stabilniju strukturu troškova.

U isto vrijeme, vrećica pakiranja daje dizajnerima baterija veću slobodu u pogledu dimenzija ćelija, debljine pakiranja i toplinskog rasporeda. Natrij-ionska vrećica ćelija stoga može biti atraktivna opcija za projekte koji trebaju lagani, prilagodljiv format baterije umjesto standardne cilindrične ili prizmatične ćelije.

Međutim, odabir natrij-ionske vrećice nije samo stvar zamjene postojeće LiFePO4 ćelije s natrij-ionskim modelom sličnog kapaciteta. Krivulja napona, raspon korisnog napona, gustoća energije, ograničenja punjenja, BMS postavke i mehanička struktura mogu biti različiti.

Ovaj vodič objašnjava glavne čimbenike koje je potrebno procijeniti prije pokretanja projekta natrij-ionske torbice za bateriju.

Zašto natrij-ionske vrećice dobivaju više pozornosti

O natrij-ionskoj tehnologiji često se raspravlja kao o alternativi litij-ionskim baterijama, ali u praktičnim je projektima točnije promatrati je kao još jednu baterijsku kemiju sa svojim snagama i ograničenjima.

To može biti posebno zanimljivo za aplikacije koje imaju prioritet:

• Rad u hladnim okruženjima

• Velika izlazna snaga

• Mogućnost brzog punjenja

• Dostupnost materijala i dugoročna kontrola troškova

• Poboljšana sigurnost transporta i skladištenja

• Prilagođene dimenzije ćelija

• Stacionarne ili lake mobilnosti gdje maksimalna gustoća energije nije jedini prioritet

Ćelije vrećice dodaju još jedan sloj fleksibilnosti. Budući da je ćelija zatvorena u foliju laminiranu aluminijem, a ne u krutu čeličnu ili aluminijsku limenku, može se proizvesti u većem rasponu debljina, širina i duljina.

To čini natrij-ionske vrećice bitnima za prilagođene pakete baterija gdje je raspoloživi prostor nepravilan ili gdje raspodjelu težine i rasipanje topline treba pažljivo kontrolirati.

1. Najprije shvatite kemiju natrij-ionske stanice

Ne koriste sve natrijevo-ionske ćelije iste materijale katode i anode. Njihova naponska platforma, životni ciklus, performanse pri niskim temperaturama i gustoća energije mogu značajno varirati.

Uobičajeni katodni sustavi natrij-iona uključuju:

• Slojeviti oksidni materijali

• Prusko plavi ili prusko bijeli materijali

• Polianionski materijali

Slojevite oksidne ćelije često se razmatraju kada projekt zahtijeva relativno visoku energetsku gustoću i snažnu snagu.

Prusko plavi i prusko bijeli sustavi mogu ponuditi prednosti u pogledu cijene, brzine i rada na niskim temperaturama, iako njihova izvedba uvelike ovisi o kvaliteti materijala i kontroli proizvodnje.

Polianionski sustavi mogu se odabrati za projekte koji stavljaju veći naglasak na strukturnu stabilnost, sigurnost i dug životni ciklus.

Iz tog razloga kupci ne bi trebali ocjenjivati ​​natrij-ionsku vrećicu samo prema nominalnom kapacitetu. Sustav materijala i sve podatke o ispitivanju također treba pregledati.

2. Provjerite naponsku platformu i radni prozor

Jedno od prvih pitanja u projektu natrij-ionske baterije je je li napon sustava kompatibilan s predviđenom opremom.

Mnoge natrij-ionske ćelije imaju nazivni napon od približno 3,0 V do 3,2 V, ali stvarna vrijednost ovisi o kemiji i proizvođaču.

Raspon radnog napona također može biti širi od LiFePO4. Neke natrijeve ionske ćelije mogu raditi od oko 1,5 V ili 2,0 V na donjem kraju do približno 4,0 V ili 4,1 V pri punoj napunjenosti.

Ove vrijednosti ne smiju se tretirati kao univerzalne postavke. Točan granični napon punjenja, granični napon pražnjenja i preporučeni radni prozor moraju uvijek proizaći iz specifikacije ćelije.

Širok raspon napona utječe na nekoliko područja dizajna baterije:

• Broj ćelija povezanih u seriju

• Maksimalni i minimalni napon baterije

• Izlazni napon punjača

• BMS raspon nadzora napona

• Kompatibilnost pretvarača ili kontrolera motora

• SOC procjena

• Postavke zaštite od niskog napona

Na primjer, zamjena 16S LiFePO4 paketa s 16S natrijevim ionskim paketom možda neće proizvesti isti nominalni, potpuno napunjen ili potpuno ispražnjen napon paketa. Ispravnu konfiguraciju serije stoga treba izračunati iz prihvatljivog ulaznog raspona opreme, a ne kopirati iz postojećeg dizajna litijske baterije.

3. Realno procijenite kapacitet i gustoću energije

Sadašnje natrij-ionske ćelije općenito imaju nižu gravimetrijsku gustoću energije od visokoenergetskih NMC litij-ionskih ćelija. Oni također mogu ostati ispod zrelih otopina LiFePO4 u nekim komercijalnim formatima.

Praktični raspon gustoće energije za natrij-ionske vrećice može pasti oko 100 do 160 Wh/kg, ovisno o kemiji, dizajnu ćelije i fazi proizvodnje.

Slojeviti oksidni sustavi više energije mogu se razmotriti za laka električna vozila ili druge primjene gdje su težina i volumen pakiranja važni.

Za stacionarno skladištenje, rezervno napajanje ili opremu male brzine, gustoća energije može biti manje kritična od životnog ciklusa, izvedbe pri niskim temperaturama, sigurnosti i cijene.

Kada uspoređujete ćelije, nemojte se oslanjati samo na kapacitet otisnut na naljepnici. Pregled:

• Nazivna energija u vat-satima

• Težina stanice

• Dimenzije ćelije

• Volumetrijska gustoća energije

• Gravimetrijska gustoća energije

• Iskoristivi kapacitet unutar preporučenog raspona napona

• Zadržavanje kapaciteta pri predviđenoj stopi pražnjenja

• Zadržavanje kapaciteta na niskim temperaturama

Ćelija s većim nazivnim kapacitetom ne mora nužno dati više iskoristive energije u uvjetima visoke struje ili hladnog vremena.

4. Uskladite brzinu pražnjenja sa stvarnim opterećenjem

Natrij-ionske ćelije mogu ponuditi dobru ionsku vodljivost i snagu, ali sposobnost brzine i dalje uvelike varira od modela do modela.

Neke natrij-ionske vrećice dizajnirane su za pohranu energije i mogu podržavati umjerenu kontinuiranu struju. Drugi su optimizirani za energetske aplikacije i mogu podržati znatno veće stope punjenja i pražnjenja.

Projektant baterije treba odrediti:

• Normalna trajna struja

• Vršna struja

• Trajanje vršne struje

• Učestalost vršnih opterećenja

• Struja regenerativnog punjenja

• Maksimalna struja punjača

• Najniža očekivana radna temperatura

Za električni dvokotač, baterija može doživjeti kratka vršna ubrzanja daleko iznad prosječne struje vožnje. Za sustav za pohranu energije, opterećenje može biti stabilnije, ali može trajati nekoliko sati.

Oznaku kontinuiranog pražnjenja ćelije treba odabrati na temelju trajnog opterećenja, dok se vrijednost impulsa mora podudarati s vršnom strujom i njezinim trajanjem.

Također je važno provjeriti unutarnji otpor istosmjerne struje ćelije. Ćelija može tehnički podržavati visoku struju, ali i dalje stvarati prekomjernu toplinu ako je njezin otpor previsok.

Proizvodnja topline raste približno s kvadratom struje:

Gubitak topline ≈ struja² × unutarnji otpor

Zbog toga udvostručenje struje može uzrokovati puno veće povećanje zagrijavanja ćelije.

Za natrij-ionske vrećice visoke brzine, dosljednost unutarnjeg otpora jednako je važna kao i dosljednost kapaciteta.

5. Provjerite performanse na niskim temperaturama s testnim krivuljama

Učinkovitost pri niskim temperaturama jedna je od prednosti natrij-ionskih baterija o kojima se najčešće raspravlja.

Neke formulacije natrijevih iona mogu zadržati veliki udio svog kapaciteta na sobnoj temperaturi na -20°C, a određene posebno dizajnirane ćelije mogu nastaviti s pražnjenjem na još nižim temperaturama.

Međutim, kupci bi trebali izbjegavati pretpostavku da svaka natrij-ionska ćelija radi dobro na -20°C ili -40°C.

Zatražite od dobavljača stvarne podatke o ispitivanju, uključujući:

• Krivulje pražnjenja na 25°C, 0°C, -10°C i -20°C

• Testirajte brzinu pražnjenja

• Temperatura punjenja prije ispitivanja

• Naponska platforma pod niskotemperaturnim opterećenjem

• Zadržavanje kapaciteta

• Povećanje unutarnjeg otpora

• Najveća dopuštena struja punjenja niske temperature

Posebno je važna krivulja napona. Ćelija može isporučiti visok postotak svog nazivnog kapaciteta na -20°C, ali doživjeti veliki početni pad napona pod opterećenjem. To bi moglo uzrokovati da BMS ili upravljač opreme prerano aktiviraju zaštitu od niskog napona.

Paket baterija stoga treba ocijeniti kao cjelovit sustav, a ne samo na temelju postotka niskotemperaturnog kapaciteta ćelije.

6. Nemojte pretpostavljati da pražnjenje niske temperature znači neograničeno punjenje

Natrijeva ionska ćelija koja se može prazniti na -20°C ne mora nužno podržavati normalno punjenje pri istoj temperaturi.

Niskotemperaturna struja punjenja trebala bi slijediti krivulju smanjenja snage ovisnu o temperaturi koju je odredio proizvođač ćelije.

Tipična strategija kontrole može uključivati:

• Normalno punjenje na umjerenim temperaturama

• Smanjena struja punjenja ispod definirane temperature

• Vrlo niska struja punjenja pri ekstremno niskim temperaturama

• Potpuna zabrana punjenja ispod minimalne granice proizvođača

Točni pragovi ovise o kemiji stanice.

BMS bi trebao koristiti temperaturne senzore postavljene blizu ćelija, posebno u blizini područja koja su vjerojatno hladnija od ostatka paketa. Za veća pakiranja jedan senzor temperature obično nije dovoljan.

7. Dizajnirajte mehaničku kompresiju za ćelije vrećice

Za razliku od cilindričnih ćelija ili prizmatičnih ćelija s aluminijskim kućištem, ćelije u vrećicama nemaju krutu vanjsku ljusku.

Folija laminirana aluminijem je lagana i prostorno učinkovita, ali zahtijeva odgovarajuću mehaničku zaštitu.

Tijekom ciklusa ćelije vrećice mogu doživjeti postupnu promjenu debljine. Nenormalni uvjeti kao što su prekomjerno punjenje, pregrijavanje ili unutarnja degradacija također mogu proizvesti plin i uzrokovati oticanje.

Pouzdana struktura paketa stoga treba uključivati:

• Krute završne ploče

• Kontrolirana kompresija

• Elastični materijal za amortizaciju

• Odvajanje i izolacija ćelija

• Zaštita od oštrih rubova

• Prostor za očekivanu varijaciju debljine ćelija

• Stabilan okvir modula

PU pjena, silikonska pjena ili drugi kompresijski materijali mogu se ugraditi između ćelija ili između niza ćelija i krajnjih ploča.

Ispravan tlak kompresije ovisi o ćeliji. Primjena premalog pritiska može omogućiti pretjerano pomicanje i oticanje, dok pretjerani pritisak može oštetiti hrpu elektroda, separator ili brtvu vrećice.

Proizvođač ćelija trebao bi osigurati preporučene uvjete kompresije ili učvršćenja kad god je to moguće. Opći raspon tlaka ne bi se trebao primjenjivati ​​bez potvrde dizajna pojedinačne ćelije.

8. Zaštitite jezičke vrećice

Jezičići su među mehanički najosjetljivijim dijelovima vrećice.

Ponavljane vibracije, sile savijanja ili povlačenja mogu oštetiti korijen jezičca ili područje zatvaranja vrećice. Ovo je osobito važno kod električnih motocikala, mobilne opreme, pomorskih aplikacija i industrijskih vozila.

Dobar dizajn modula trebao bi:

• Poduprite jezičke blizu tijela ćelije

• Spriječite da sabirnica stavi težinu na jezičke

• Dopustite toplinsko širenje

• Izbjegavajte ponovno savijanje tijekom sastavljanja

• Koristite učvršćenja za održavanje poravnanja jezičaka

• Zaštitite područje brtve jezička od oštrih metalnih dijelova

• Smanjite prijenos vibracija iz kućišta

Postupak zavarivanja ili spajanja također mora odgovarati materijalu i debljini jezička. Aluminijske i bakrene pločice mogu zahtijevati različite parametre zavarivanja i metode spajanja.

Za projekte s visokom strujom, konstrukciju sabirnice treba provjeriti na gustoću struje, porast temperature i mehaničko naprezanje.

9. Koristite veliku površinu ćelije za upravljanje toplinom

Jedna od prednosti formata vrećice je njegova velika ravna površina. To može učiniti prijenos topline učinkovitijim kada je ćelija pravilno integrirana u modul.

Za pakete za pohranu energije niske brzine, toplina se može ukloniti kroz površine ćelija, okvir modula i kućište baterije.

Za aplikacije veće snage, dizajn može zahtijevati:

• Jastučići koji provode toplinu

• Toplinski provodljivo ljepilo

• Aluminijski razdjelnici topline

• Zračni kanali

• Prisilno zračno hlađenje

• Ploče hlađene tekućinom

• Toplinske barijere između stanica

Materijal toplinskog sučelja trebao bi omogućiti dobar kontakt bez stvaranja prekomjerne kompresije.

Konzistentnost temperature unutar modula također je važna. Velika temperaturna razlika između stanica može dovesti do nejednake otpornosti, neravnomjernog starenja i povećanja SOC neravnoteže tijekom vremena.

Toplinski dizajn bi se stoga trebao usredotočiti ne samo na maksimalnu temperaturu, već i na temperaturnu razliku u cijelom nizu ćelija.

10. Koristite BMS kompatibilan s karakteristikama napona natrij-iona

Standardni LiFePO4 BMS ne bi se trebao automatski koristiti za natrij-ionsku bateriju.

U nekim slučajevima, postojeća BMS platforma može se prilagoditi kroz postavke softvera. U drugim slučajevima, analogni prednji kraj, krug uzorkovanja ili zaštitne komponente možda neće podržavati potrebni raspon napona.

BMS treba provjeriti za:

• Raspon mjerenja napona ćelije

• Postavka zaštite od preopterećenja

• Postavka zaštite od prekomjernog pražnjenja

• Pragovi povrata napona

• SOC algoritam

• Temperaturna zaštita

• Smanjena struja punjenja

• Strategija balansiranja

• Maksimalna struja paketa

• Zaštita od kratkog spoja

• Komunikacijski protokol

Ako natrijeva ionska ćelija ima niži granični napon pražnjenja od LiFePO4, BMS analogni prednji kraj i dalje mora točno mjeriti na tom niskom naponu.

Punjač i regulator opterećenja također moraju ostati kompatibilni s rezultirajućim prozorom napona paketa.

Mogu li se natrij-ionske ćelije pohraniti na 0 V?

Neki kemijski sastavi natrijevih iona i dizajni ćelija mogu podržavati skladištenje i transport na vrlo niskom ili nultom naponu.

To potencijalno može poboljšati sigurnost i pojednostaviti određene logističke procese.

Međutim, pohrana bez napona nije univerzalna karakteristika svih natrijevih ionskih ćelija. To mora biti izričito potvrđeno od strane proizvođača ćelije i potkrijepljeno podacima o validaciji.

Baterija se nikada ne smije isprazniti na 0 V samo zato što koristi kemiju natrij-iona.

11. Ponovno kalibrirajte SOC algoritam

Odnos između napona otvorenog kruga i stanja napunjenosti različit je za svaku kemiju natrij-iona.

U usporedbi s LiFePO4, neke natrijevo-ionske ćelije imaju nagnutiju krivulju napona, što može pružiti korisnije podatke o SOC-u temeljene na naponu. Unatoč tome, sam napon obično nije dovoljan za točnu procjenu SOC-a pod promjenjivim uvjetima opterećenja i temperature.

Pouzdan natrij-ionski BMS može kombinirati:

• Kulonovo brojanje

• OCV korekcija

• Temperaturna kompenzacija

• Trenutna naknada

• Korekcija starenja stanica

• SOC model specifičan za kemiju

Ispravnu OCV-SOC tablicu treba izraditi iz odabrane natrij-ionske ćelije, a ne kopirati iz drugog modela.

Također treba procijeniti ponašanje samopražnjenja. Ako ćelija doživi primjetnu promjenu napona tijekom dugog skladištenja, BMS će možda trebati povremenu ponovnu kalibraciju nakon dovoljno vremena mirovanja.

12. Odaberite pravu strategiju balansiranja

Konzistentnost ćelija ostaje važna u svakom serijski spojenom paketu baterija.

Razlike u kapacitetu, SOC-u, unutarnjem otporu i samopražnjenju mogu postupno povećati naponski jaz između ćelija.

Za manje pakete natrij-iona, pasivno balansiranje može biti dovoljno. Odgovarajuća struja balansiranja ovisi o kapacitetu paketa, konzistenciji ćelija i raspoloživom vremenu balansiranja.

Za sustave za pohranu energije većeg kapaciteta, niskoj balansnoj struji može trebati predugo da ispravi značajnu SOC razliku. Tada se može razmotriti aktivno balansiranje.

Prije oslanjanja na BMS, dobavljač ćelija trebao bi izvršiti pravilno ocjenjivanje i usklađivanje ćelija na temelju čimbenika kao što su:

• Kapacitet

• Napon otvorenog kruga

• AC unutarnji otpor

• DC unutarnji otpor

• Stopa samopražnjenja

• Oporavak napona

• Proizvodna serija

Balansiranje treba ispraviti male razlike tijekom rada. Ne smije se koristiti za nadoknadu za loše podudarne stanice.

13. Izradite plan provjere valjanosti specifičan za projekt

Podatkovna tablica samo je početak projekta baterije.

Prije masovne proizvodnje, prototip pakiranja treba testirati u uvjetima bliskim stvarnoj primjeni.

Plan validacije može uključivati:

• Ispitivanje kapaciteta

• Pražnjenje kontinuirane struje

• Ispitivanje vršne struje

• Testiranje brzog punjenja

• Ispitivanje porasta temperature

• Niskotemperaturno pražnjenje

• Niskotemperaturno punjenje

• Ispitivanje životnog ciklusa

• Ispitivanje vibracija

• Mehanički udar

• Ispitivanje kompresije

• Zaštita od preopterećenja

• Zaštita od prekomjernog pražnjenja

• Zaštita od kratkog spoja

• Procjena toplinskog širenja

• Dugotrajno skladištenje

Potrebna certifikacija ovisi o primjeni i tržištu.

IEC 62619 može biti relevantan za industrijske primjene sekundarnih baterija. GB 38031 odnosi se na pogonske baterije koje se koriste u električnim vozilima u Kini. Transportna dokumentacija također može uključivati ​​UN38.3, MSDS i odgovarajuću procjenu prijevoza opasnih tvari.

Primjenjivi standard treba potvrditi na temelju konačnog paketa baterija, tržišta i primjene, a ne odabrati samo prema vrsti ćelije.

Kontrolni popis za projekt natrij-ionskih vrećica

Prije potvrde natrij-ionske vrećice pregledajte sljedeća pitanja:

Električni zahtjevi

• Koji su nazivni, maksimalni i minimalni naponi sustava?

• Što je trajna pogonska struja?

• Kolika je vršna struja i koliko dugo traje?

• Koje je potrebno vrijeme punjenja?

• Je li uključeno regenerativno punjenje?

Zahtjevi zaštite okoliša

• Koja je najniža temperatura pražnjenja?

• Koja je najniža temperatura punjenja?

• Hoće li paket biti izložen vibracijama, vlazi ili slanom spreju?

• Je li potrebno aktivno grijanje ili hlađenje?

Zahtjevi ćelije

• Koja se kemija natrijeva iona koristi?

• Kolika je stvarna gustoća energije?

• Koje su granice napona punjenja i pražnjenja?

• Koje su vrijednosti trajne i pulsne struje?

• Jesu li krivulje niske temperature dostupne?

• Koji se uvjeti kompresije preporučuju?

Mehanički zahtjevi

• Ima li dovoljno prostora za varijaciju debljine?

• Jesu li površine vrećice zaštićene?

• Jesu li jezičci mehanički podržani?

• Je li okvir modula dovoljno krut?

• Može li se toplina ravnomjerno prenositi iz svake ćelije?

Zahtjevi BMS-a

• Podržava li AFE cijeli raspon napona?

• Jesu li zaštitni pragovi podesivi?

• Je li SOC model razvijen za odabranu natrijevu ionsku ćeliju?

• Je li uključeno smanjenje snage punjenja pri niskim temperaturama?

• Je li struja balansiranja odgovarajuća za kapacitet paketa?

Je li natrij-ionska vrećica odgovarajuća za svaki projekt?

Nije nužno.

Natrij-ionske vrećice mogu biti vrlo konkurentne tamo gdje su važne performanse pri niskim temperaturama, sposobnost napajanja, sigurnost, dostupnost materijala ili fleksibilne dimenzije ćelija.

LiFePO4 još uvijek može biti prikladniji kada projekt zahtijeva zreo opskrbni lanac, široko dostupne sustave punjenja, dokazane dugoročne terenske podatke i uspostavljenu certifikacijsku podršku.

NMC litij-ion može ostati bolji izbor kada su minimalna težina i maksimalna gustoća energije najveći prioriteti.

Odluka bi se trebala temeljiti na kompletnom sustavu baterija, a ne samo na kemijskom marketingu.

Tehnički prikladna ćelija mora raditi s kućištem, sustavom hlađenja, BMS-om, punjačem, kontrolerom, planom certifikacije i ciljnim troškom.

Kako Misen podržava projekte natrij-ionskih vrećica za baterije

Misen radi s kupcima na više od individualne opskrbe ćelijama.

Za projekte natrij-ionskih vrećica za baterije, naša podrška može uključivati:

• Odabir ćelija prema zahtjevima napona, kapaciteta i struje

• Usporedba natrijevih i litijevih baterija

• Odabir dimenzija ćelije vrećice

• Usklađivanje kapaciteta i unutarnjeg otpora

• Dizajn serijske i paralelne konfiguracije

• Preporuke za mehaničku kompresiju

• Dizajn priključka jezička i sabirnice

• Planiranje upravljanja toplinom

• Natrij-ionska BMS koordinacija parametara

• Razvoj prototipa baterije

• Podrška za testiranje ćelija i paketa

• OEM i ODM rješenja za baterije

Za nove natrij-ionske projekte preporučujemo da počnete sa stvarnim podacima o primjeni, a ne odabirom ćelije samo na temelju kapaciteta.

Podijelite potrebni napon, kapacitet, kontinuiranu struju, vršnu struju, radnu temperaturu, dostupne dimenzije i očekivanu količinu narudžbe. Naš inženjerski tim može pomoći u procjeni je li natrij-ionska vrećica tehnički i komercijalno prikladna za vašu bateriju.

Tražite natrij-ionsku baterijsku ćeliju ili prilagođeno rješenje za natrij-ionsku bateriju? Kontaktirajte Misen kako biste razgovarali o svojim projektnim zahtjevima.