ナトリウムイオン電池は、エネルギー貯蔵、電動二輪車、産業機器、軽量モビリティ用途での関心が高まっています。彼らの魅力は単一の利点に基づいているわけではありません。セルの化学的性質に応じて、ナトリウムイオン技術は、優れた低温放電性能、強力な電力能力、原材料の入手可能性の向上、および潜在的により安定したコスト構造を提供します。
同時に、パウチパッケージにより、バッテリー設計者はセルの寸法、パックの厚さ、熱レイアウトに関してより大きな自由度を得ることができます。したがって、ナトリウムイオンパウチセルは、標準的な円筒形や角形のセルではなく、軽量でカスタマイズ可能なバッテリー形式を必要とするプロジェクトにとって魅力的な選択肢となり得ます。
ただし、ナトリウム イオン パウチ セルの選択は、単に既存の LiFePO4 セルを同様の容量のナトリウム イオン モデルに置き換えるだけの問題ではありません。電圧曲線、使用可能な電圧範囲、エネルギー密度、充電制限、BMS 設定、機械的構造はすべて異なる場合があります。
このガイドでは、ナトリウム イオン パウチ バッテリー パック プロジェクトを開始する前に評価する必要がある主な要素について説明します。
ナトリウムイオン技術は、リチウムイオン電池の代替品としてよく議論されますが、実際のプロジェクトでは、ナトリウムイオン技術を、独自の長所と限界を持つ別の電池の化学的性質として見る方がより正確です。
これは、以下を優先するアプリケーションにとって特に興味深いものになる可能性があります。
寒冷環境での動作
高出力
急速充電機能
材料の入手可能性と長期的なコスト管理
輸送および保管の安全性の向上
カスタムセルの寸法
最大エネルギー密度だけが優先事項ではない定置型または軽移動型アプリケーション
パウチセルは柔軟性をさらに高めます。セルは剛性のスチール缶やアルミニウム缶ではなく、アルミニウムラミネートフィルムに封入されているため、より広範囲の厚さ、幅、長さで製造できます。
このため、ナトリウムイオンパウチセルは、利用可能なスペースが不規則な場合、または重量分布と熱放散を注意深く制御する必要があるカスタムバッテリーパックに適しています。
すべてのナトリウムイオン電池が同じカソード材料とアノード材料を使用しているわけではありません。電圧プラットフォーム、サイクル寿命、低温性能、エネルギー密度は大きく異なる場合があります。
一般的なナトリウムイオン陰極システムには次のものがあります。
層状酸化物材料
プルシアンブルーまたはプルシアンホワイトのマテリアル
ポリアニオン材料
プロジェクトで比較的高いエネルギー密度と強力な電力性能が必要な場合、層状酸化物電池が検討されることがよくあります。
プルシアンブルーおよびプルシアンホワイトのシステムは、コスト、レート能力、低温動作の点で利点がありますが、その性能は材料の品質と製造管理に大きく依存します。
ポリアニオン系は、構造安定性、安全性、長いサイクル寿命を重視するプロジェクトに選択される場合があります。
このため、購入者はナトリウムイオンパウチ電池を公称容量だけで評価すべきではありません。材料システムと完全なテストデータもレビューする必要があります。
ナトリウムイオン電池プロジェクトにおける最初の疑問の 1 つは、システム電圧が目的の機器と互換性があるかどうかです。
多くのナトリウムイオン電池の公称電圧は約 3.0V ～ 3.2V ですが、実際の値は化学薬品やメーカーによって異なります。
動作電圧範囲も LiFePO4 よりも広くなります。一部のナトリウムイオン電池は、下限の約 1.5 V または 2.0 V から、完全充電時の約 4.0 V または 4.1 V まで動作します。
これらの値を汎用設定として扱ってはなりません。正しい充電カットオフ電圧、放電カットオフ電圧、および推奨される動作ウィンドウは、常にセルの仕様から得られる必要があります。
広い電圧範囲は、バッテリ パック設計のいくつかの領域に影響を与えます。
直列に接続されたセルの数
バッテリーパックの最大電圧と最小電圧
充電器出力電圧
BMS電圧監視範囲
インバーターまたはモーターコントローラーの互換性
SOC の推定
低電圧保護設定
たとえば、16S LiFePO4 パックを 16S ナトリウムイオン パックに交換すると、完全に充電または完全に放電したときと同じ公称パック電圧が得られない可能性があります。したがって、正しい直列構成は、既存のリチウム電池設計からコピーするのではなく、機器の許容入力範囲から計算する必要があります。
現在のナトリウムイオン電池は一般に、高エネルギーの NMC リチウムイオン電池よりも低い重量エネルギー密度を持っています。一部の商用フォーマットでは、成熟した LiFePO4 溶液を下回る可能性もあります。
ナトリウムイオンパウチ電池の実用的なエネルギー密度範囲は、化学反応、電池設計、製造段階に応じて、約 100 ～ 160Wh/kg になります。
より高エネルギーの層状酸化物システムは、軽量電気自動車や、パックの重量と体積が重要なその他の用途に検討される可能性があります。
定置式保管庫、バックアップ電源、または低速機器の場合、エネルギー密度はサイクル寿命、低温性能、安全性、コストほど重要ではない場合があります。
セルを比較するときは、ラベルに印刷されている容量だけに頼らないでください。レビュー：
公称エネルギー (ワット時)
細胞重量
セルの寸法
体積エネルギー密度
重量エネルギー密度
推奨電圧範囲内での使用可能容量
意図した放電率での容量維持率
低温での容量維持
より高い定格容量を備えたセルは、高電流または寒冷気象条件下で必ずしもより多くの利用可能なエネルギーを提供するとは限りません。
ナトリウムイオン電池は優れたイオン伝導率と電力性能を提供しますが、レート能力は依然としてモデル間で大きく異なります。
一部のナトリウムイオンパウチセルはエネルギー貯蔵用に設計されており、中程度の連続電流をサポートする場合があります。他の製品は電力アプリケーション向けに最適化されており、かなり高い充電および放電レートをサポートできます。
バッテリー設計者は次のことを決定する必要があります。
通常の連続電流
ピーク電流
ピーク電流の持続時間
ピーク負荷の頻度
回生充電電流
最大充電器電流
予想される最低動作温度
電気二輪車の場合、バッテリーは平均走行電流をはるかに超える短い加速ピークを経験することがあります。エネルギー貯蔵システムの場合、負荷はより安定している可能性がありますが、数時間続く可能性があります。
セルの連続放電定格は持続負荷に基づいて選択する必要がありますが、パルス定格はピーク電流とその持続時間の両方に一致する必要があります。
セルの DC 内部抵抗を確認することも重要です。セルは技術的には大電流をサポートできますが、抵抗が高すぎると過剰な熱が発生します。
発熱はおよそ電流の 2 乗に応じて増加します。
熱損失 ≈ 電流 2 × 内部抵抗
これが、電流を 2 倍にするとセルの発熱が大幅に増加する可能性がある理由です。
高速ナトリウムイオンパウチバッテリーパックの場合、内部抵抗の一貫性は容量の一貫性と同じくらい重要です。
低温性能は、ナトリウムイオン電池の利点として最も頻繁に議論されるものの 1 つです。
一部のナトリウム イオン配合物は、-20°C で室温容量の高い割合を維持でき、特定の特別に設計されたセルはさらに低い温度でも放電を続けることができます。
ただし、購入者は、すべてのナトリウムイオン電池が -20°C または -40°C で良好に動作すると仮定することは避けるべきです。
以下を含む実際のテストデータについてはサプライヤーに問い合わせてください。
25℃、0℃、-10℃、-20℃での放電曲線
試験吐出量
テスト前の充電温度
低温負荷時の電圧プラットフォーム
容量維持
内部抵抗の増加
最大許容低温充電電流
電圧曲線は特に重要です。セルは、-20°C で定格容量の高い割合を供給できますが、負荷がかかると大きな初期電圧降下が発生します。これにより、BMS または機器コントローラーが低電圧保護を早期にトリガーする可能性があります。
したがって、バッテリーパックは、セルの低温容量パーセンテージのみに基づくのではなく、完全なシステムとして評価される必要があります。
-20°C で放電できるナトリウム イオン電池は、同じ温度での通常速度の充電を必ずしもサポートするとは限りません。
低温充電電流は、セル製造元が指定した温度依存のディレーティング曲線に従う必要があります。
典型的な制御戦略には次のようなものがあります。
適度な温度での通常充電
定義された温度を下回ると充電電流が減少します
極低温での極低電流充電
メーカーの最低制限値を下回る完全な充電禁止
正確な閾値はセルの化学的性質によって異なります。
BMS は、セルの近く、特にパックの他の部分よりも寒くなりそうな領域の近くに配置された温度センサーを使用する必要があります。より大きなパックの場合、通常は 1 つの温度センサーでは十分ではありません。
円筒形セルやアルミニウムケースの角形セルとは異なり、パウチセルには硬い外殻がありません。
アルミニウム ラミネート フィルムは軽量でスペース効率に優れていますが、適切な機械的保護が必要です。
サイクリング中に、パウチセルの厚さが徐々に変化する場合があります。過充電、過熱、内部劣化などの異常状態によってもガスが発生し、膨張することがあります。
したがって、信頼できるパック構造には次のものが含まれている必要があります。
剛性エンドプレート
制御された圧縮
弾力のあるクッション材
細胞の分離と絶縁
鋭利なエッジからの保護
予想されるセル厚の変動に対応するスペース
安定したモジュールフレーム
PU フォーム、シリコーンフォーム、またはその他の圧縮材料をセル間、またはセルスタックとエンドプレートの間に取り付けることができます。
正しい圧縮圧力はセルによって異なります。加える圧力が小さすぎると、過度の動きや膨張が生じる可能性があり、一方、過度の圧力では、電極スタック、セパレーター、またはパウチシールが損傷する可能性があります。
セルの製造元は、可能な限り、推奨される圧縮条件または固定条件を提供する必要があります。個々のセルの設計を確認することなく、一般的な圧力範囲を適用しないでください。
タブは、パウチセルの中で最も機械的に脆弱な部分の 1 つです。
繰り返しの振動、曲げ、引っ張り力により、タブの付け根やパウチのシール部分が損傷する可能性があります。これは、電動バイク、モバイル機器、船舶用途、産業用車両において特に重要です。
優れたモジュール設計には次のことが必要です。
セル本体の近くでタブをサポートします。
バスバーがタブに重量をかけないようにする
熱膨張を考慮してください
組み立て中に繰り返し曲げないようにしてください
フィクスチャを使用してタブの位置を維持する
タブシール部分を鋭利な金属部品から保護します。
エンクロージャからの振動伝達を低減します。
溶接または接続プロセスもタブの材質と厚さに合わせて行う必要があります。アルミニウムと銅のタブには、異なる溶接パラメータと接合方法が必要な場合があります。
大電流プロジェクトの場合は、バスバーの設計で電流密度、温度上昇、機械的ストレスをチェックする必要があります。
パウチ形式の利点の 1 つは、平らな表面積が大きいことです。これにより、セルがモジュールに適切に統合されている場合、熱伝達がより効率的になります。
低レートのエネルギー貯蔵パックの場合、熱はセル表面、モジュール フレーム、およびバッテリー エンクロージャを通じて除去される可能性があります。
高出力アプリケーションの場合、設計には以下が必要になる場合があります。
熱伝導性パッド
熱伝導性接着剤
アルミニウム製ヒートスプレッダ
空気通路
強制空冷
水冷プレート
細胞間の熱障壁
サーマルインターフェースマテリアルは、過度の圧縮を生じさせることなく良好な接触を提供する必要があります。
モジュール内の温度の一貫性も重要です。セル間の温度差が大きいと、抵抗が不均一になり、経年劣化が不均一になり、時間の経過とともに SOC の不均衡が増大する可能性があります。
したがって、熱設計では最高温度だけでなく、セルスタック全体の温度差にも焦点を当てる必要があります。
標準の LiFePO4 BMS をナトリウム イオン バッテリー パックに自動的に使用しないでください。
場合によっては、ソフトウェア設定を通じて既存の BMS プラットフォームを適応させることができます。他の場合には、アナログ フロントエンド、サンプリング回路、または保護コンポーネントが必要な電圧範囲をサポートしていない可能性があります。
BMS は以下についてチェックする必要があります。
セル電圧測定範囲
過充電保護設定
過放電保護設定
電圧回復しきい値
SOCアルゴリズム
温度保護
充電電流のディレーティング
バランス戦略
最大パック電流
短絡保護
通信プロトコル
ナトリウムイオン電池の放電終止電圧が LiFePO4 よりも低い場合でも、BMS アナログ フロントエンドはその低い電圧でも正確に測定する必要があります。
充電器と負荷コントローラーも、結果として得られるパック電圧ウィンドウとの互換性を維持する必要があります。
一部のナトリウム イオンの化学構造およびセル設計は、非常に低電圧またはゼロ電圧の保管および輸送をサポートする場合があります。
これにより、安全性が向上し、特定の物流プロセスが簡素化される可能性があります。
ただし、ゼロ電圧貯蔵はすべてのナトリウムイオン電池に共通の特性ではありません。セルの製造元によって明示的に確認され、検証データによってサポートされる必要があります。
ナトリウムイオンの化学反応を使用しているという理由だけで、バッテリーパックを 0V まで放電してはなりません。
開放電圧と充電状態の関係は、ナトリウムイオンの化学反応ごとに異なります。
LiFePO4 と比較して、一部のナトリウムイオン電池は電圧曲線がより傾斜しており、より有用な電圧ベースの SOC 情報が得られる可能性があります。それでも、変化する負荷や温度条件下で正確な SOC を推定するには、通常、電圧だけでは不十分です。
信頼性の高いナトリウムイオン BMS は以下を組み合わせることができます。
クーロンカウンティング
OCV補正
温度補償
電流補償
細胞老化補正
化学固有の SOC モデル
正しい OCV-SOC テーブルは、別のモデルからコピーするのではなく、選択したナトリウムイオンセルから作成する必要があります。
自己放電挙動も評価する必要があります。長期保管中にセルに顕著な電圧変化が生じた場合、十分な休止時間の後に BMS を定期的に再校正する必要がある場合があります。
セルの一貫性は、直列接続されたすべてのバッテリー パックにおいて引き続き重要です。
容量、SOC、内部抵抗、および自己放電の違いにより、セル間の電圧ギャップが徐々に増加する可能性があります。
小型のナトリウムイオンパックの場合は、パッシブバランスで十分な場合があります。適切なバランシング電流は、パック容量、セルの一貫性、および利用可能なバランシング時間によって異なります。
大容量のエネルギー貯蔵システムの場合、バランス電流が低いと意味のある SOC 差を補正するには時間がかかりすぎる場合があります。次に、アクティブなバランスを考慮することができます。
BMS に依存する前に、セルのサプライヤーは、次のような要素に基づいてセルの適切なグレーディングとマッチングを実行する必要があります。
容量
開放電圧
AC内部抵抗
直流内部抵抗
自己放電率
電圧回復
生産バッチ
バランス調整により、動作中の小さな差異が修正されます。一致が不十分なセルを補正するために使用しないでください。
データシートはバッテリー パック プロジェクトの始まりにすぎません。
量産前に、プロトタイプのパックを実際の用途に近い条件でテストする必要があります。
検証計画には次のものが含まれる場合があります。
能力テスト
連続電流放電
ピーク電流試験
急速充電テスト
温度上昇試験
低温放電
低温充電
サイクル寿命試験
振動試験
機械的衝撃
圧縮試験
過充電保護
過放電保護
短絡保護
熱伝播評価
長期保管
必要な認証はアプリケーションと市場によって異なります。
IEC 62619 は産業用二次電池アプリケーションに関連する場合があります。 GB 38031 は、中国の電気自動車で使用される走行用バッテリーに適用されます。輸送文書には、UN38.3、MSDS、および適切な危険物の輸送評価も含まれる場合があります。
適用される規格は、セルの種類のみに基づいて選択するのではなく、最終的なバッテリー パック、市場、用途に基づいて確認する必要があります。
ナトリウムイオンパウチセルを確認する前に、次の質問を確認してください。
公称、最大、最小システム電圧はどれくらいですか?
連続動作電流とは何ですか?
ピーク電流はどれくらいで、どれくらいの時間持続しますか?
必要な充電時間はどれくらいですか?
回生充電は関係していますか?
最低吐出温度は何度ですか?
充電の最低温度は何度ですか?
パックは振動、湿気、塩水噴霧にさらされますか?
積極的な加熱または冷却は必要ですか?
どのナトリウムイオン化学反応が使用されますか?
実際のエネルギー密度はどれくらいですか?
充電および放電の電圧制限は何ですか?
連続電流とパルス電流の定格は何ですか?
低温曲線は利用可能ですか?
どのような圧縮条件が推奨されますか?
厚みを変えるのに十分なスペースはありますか?
ポーチの表面は保護されていますか？
タブは機械的にサポートされていますか?
モジュールフレームの剛性は十分ですか?
熱はすべてのセルから均等に伝達できますか?
AFE は全電圧範囲をサポートしていますか?
保護しきい値は調整可能ですか?
SOC モデルは選択したナトリウムイオン電池用に開発されていますか?
低温充電ディレーティングは含まれていますか?
バランス電流はパック容量に対して適切ですか?
必ずしもそうとは限りません。
ナトリウムイオンパウチセルは、低温性能、出力能力、安全性、材料の入手可能性、または柔軟なセル寸法が重要な場合に、高い競争力を発揮します。
プロジェクトが成熟したサプライチェーン、広く利用可能な充電システム、実証済みの長期フィールドデータ、確立された認証サポートを必要とする場合には、LiFePO4 の方がさらに適している可能性があります。
最小重量と最大エネルギー密度が最優先される場合には、NMC リチウムイオンが依然としてより良い選択肢となる可能性があります。
決定は化学マーケティングのみに基づいてではなく、完全なバッテリー システムに基づいて行われるべきです。
技術的に適切なセルは、エンクロージャ、冷却システム、BMS、充電器、コントローラ、認証計画、および目標コストと連携して動作する必要があります。
Misen は、個々のセルの供給以上の分野でお客様と協力しています。
ナトリウムイオンパウチ電池プロジェクトの場合、当社のサポートには以下が含まれます。
電圧、容量、電流要件に応じたセルの選択
ナトリウムイオン電池とリチウム電池の比較
パウチセルの寸法選択
容量と内部抵抗のマッチング
直列および並列構成の設計
機械的圧縮に関する推奨事項
タブとバスバーの接続設計
熱管理計画
ナトリウムイオンBMSパラメータ調整
電池パックの試作開発
セルおよびパックのテストのサポート
OEM および ODM バッテリー ソリューション
新しいナトリウム イオン プロジェクトの場合は、容量だけでセルを選択するのではなく、実際のアプリケーション データから始めることをお勧めします。
必要な電圧、容量、連続電流、ピーク電流、動作温度、利用可能な寸法、予想される注文数量を共有します。当社のエンジニアリング チームは、ナトリウム イオン パウチ セルがお客様のバッテリー パックに技術的および商業的に適しているかどうかの評価をお手伝いします。
ナトリウム イオン パウチ セルまたはカスタム ナトリウム イオン バッテリー パック ソリューションをお探しですか?プロジェクトの要件については、Misen にお問い合わせください。
