나트륨 이온 배터리는 에너지 저장, 전기 이륜차, 산업 장비 및 경량 이동성 응용 분야에서 점점 더 많은 관심을 끌고 있습니다. 그들의 매력은 단 하나의 장점에만 근거한 것이 아닙니다. 전지 화학에 따라 나트륨 이온 기술은 우수한 저온 방전 성능, 강력한 전력 성능, 개선된 원자재 가용성 및 잠재적으로 보다 안정적인 비용 구조를 제공할 수 있습니다.
동시에 파우치 포장은 배터리 설계자에게 셀 크기, 팩 두께 및 열 레이아웃에 대한 더 큰 자유를 제공합니다. 따라서 나트륨 이온 파우치 셀은 표준 원통형 또는 각형 셀보다 가볍고 사용자 정의 가능한 배터리 형식이 필요한 프로젝트에 매력적인 옵션이 될 수 있습니다.
하지만 나트륨이온 파우치 셀을 선택한다는 것은 단순히 기존 LiFePO4 셀을 비슷한 용량의 나트륨이온 모델로 교체하는 문제가 아니다. 전압 곡선, 사용 가능한 전압 범위, 에너지 밀도, 충전 제한, BMS 설정 및 기계 구조는 모두 다를 수 있습니다.
이 가이드에서는 나트륨이온 파우치 배터리 팩 프로젝트를 시작하기 전에 평가해야 할 주요 요소에 대해 설명합니다.
나트륨 이온 기술은 리튬 이온 배터리의 대안으로 자주 논의되지만 실제 프로젝트에서는 고유한 장점과 한계가 있는 또 다른 배터리 화학으로 보는 것이 더 정확합니다.
다음을 우선시하는 애플리케이션의 경우 특히 흥미로울 수 있습니다.
추운 환경에서의 작동
높은 출력
빠른 충전 기능
자재 가용성 및 장기 비용 관리
운송 및 보관 안전성 향상
사용자 정의 셀 크기
최대 에너지 밀도가 유일한 우선순위가 아닌 고정식 또는 가벼운 이동성 애플리케이션
파우치 셀은 또 다른 유연성을 추가합니다. 셀을 단단한 강철이나 알루미늄 캔이 아닌 알루미늄 적층 필름으로 감싸기 때문에 다양한 두께, 너비, 길이로 생산할 수 있습니다.
이로 인해 나트륨 이온 파우치 셀은 사용 가능한 공간이 불규칙하거나 무게 분포와 열 방출을 신중하게 제어해야 하는 맞춤형 배터리 팩과 관련이 있습니다.
모든 나트륨 이온 전지가 동일한 양극 및 음극 재료를 사용하는 것은 아닙니다. 전압 플랫폼, 사이클 수명, 저온 성능 및 에너지 밀도는 크게 다를 수 있습니다.
일반적인 나트륨 이온 음극 시스템은 다음과 같습니다.
층상 산화물 재료
프러시안 블루 또는 프러시안 화이트 소재
다중음이온 물질
프로젝트에 상대적으로 높은 에너지 밀도와 강력한 전력 성능이 필요한 경우 층상 산화물 셀이 종종 고려됩니다.
프러시안 블루와 프러시안 화이트 시스템은 성능이 재료 품질과 제조 관리에 크게 좌우되지만 비용, 속도 성능 및 저온 작동 측면에서 이점을 제공할 수 있습니다.
구조적 안정성, 안전성 및 긴 사이클 수명에 더 중점을 두는 프로젝트에는 다중음이온 시스템을 선택할 수 있습니다.
이러한 이유로 구매자는 공칭 용량만으로 나트륨 이온 파우치 셀을 평가해서는 안됩니다. 재료 시스템과 전체 테스트 데이터도 검토해야 합니다.
나트륨 이온 배터리 프로젝트의 첫 번째 질문 중 하나는 시스템 전압이 의도한 장비와 호환되는지 여부입니다.
많은 나트륨 이온 셀의 공칭 전압은 약 3.0V ~ 3.2V이지만 실제 값은 화학 및 제조업체에 따라 다릅니다.
작동 전압 범위는 LiFePO4보다 넓을 수도 있습니다. 일부 나트륨 이온 셀은 최저 1.5V 또는 2.0V에서 완전 충전 시 약 4.0V 또는 4.1V까지 작동할 수 있습니다.
이러한 값은 범용 설정으로 취급되어서는 안 됩니다. 올바른 충전 차단 전압, 방전 차단 전압 및 권장 작동 범위는 항상 셀 사양에서 나와야 합니다.
넓은 전압 범위는 배터리 팩 설계의 여러 영역에 영향을 미칩니다.
직렬로 연결된 셀의 수
최대 및 최소 배터리 팩 전압
충전기 출력 전압
BMS 전압 모니터링 범위
인버터 또는 모터 컨트롤러 호환성
SOC 추정
저전압 보호 설정
예를 들어, 16S LiFePO4 팩을 16S 나트륨 이온 팩으로 교체하면 동일한 공칭, 완전 충전 또는 완전 방전 팩 전압이 생성되지 않을 수 있습니다. 따라서 올바른 시리즈 구성은 기존 리튬 배터리 설계에서 복사하기보다는 장비의 허용 가능한 입력 범위에서 계산되어야 합니다.
현재 나트륨 이온 전지는 일반적으로 고에너지 NMC 리튬 이온 전지보다 중량 에너지 밀도가 낮습니다. 또한 일부 상용 형식에서는 성숙한 LiFePO4 솔루션보다 낮은 수준으로 유지될 수도 있습니다.
나트륨 이온 파우치 셀의 실제 에너지 밀도 범위는 화학, 셀 설계 및 생산 단계에 따라 약 100~160Wh/kg에 속할 수 있습니다.
고에너지 산화층 시스템은 경량 전기 자동차나 팩 무게와 부피가 중요한 기타 응용 분야에 고려될 수 있습니다.
고정식 저장, 백업 전력 또는 저속 장비의 경우 에너지 밀도는 사이클 수명, 저온 성능, 안전성 및 비용보다 덜 중요할 수 있습니다.
셀을 비교할 때 라벨에 인쇄된 용량에만 의존하지 마십시오. 검토:
와트시 단위의 공칭 에너지
세포 무게
셀 크기
체적 에너지 밀도
중량 에너지 밀도
권장 전압 범위 내에서 사용 가능한 용량
의도한 방전율에서 용량 유지
저온에서의 용량 유지
정격 용량이 더 높은 셀은 고전류 또는 추운 날씨 조건에서 반드시 더 많은 사용 가능한 에너지를 제공하는 것은 아닙니다.
나트륨 이온 전지는 우수한 이온 전도성과 전력 성능을 제공할 수 있지만 속도 성능은 여전히 모델마다 크게 다릅니다.
일부 나트륨 이온 파우치 셀은 에너지 저장용으로 설계되었으며 적당한 연속 전류를 지원할 수 있습니다. 다른 제품은 전력 애플리케이션에 최적화되어 상당히 높은 충전 및 방전 속도를 지원할 수 있습니다.
배터리 설계자는 다음을 결정해야 합니다.
정상적인 연속 전류
피크 전류
피크 전류 지속 시간
최대 부하 빈도
회생 충전 전류
최대 충전기 전류
최저 예상 작동 온도
전기 이륜차의 경우 배터리는 평균 주행 전류보다 훨씬 높은 짧은 가속 피크를 경험할 수 있습니다. 에너지 저장 시스템의 경우 부하는 더 안정적일 수 있지만 몇 시간 동안 계속될 수 있습니다.
셀의 연속 방전 정격은 지속적인 부하를 기준으로 선택해야 하며, 펄스 정격은 피크 전류 및 지속 시간과 모두 일치해야 합니다.
셀의 DC 내부 저항을 확인하는 것도 중요합니다. 셀은 기술적으로 고전류를 지원할 수 있지만 저항이 너무 높으면 여전히 과도한 열을 발생시킵니다.
열 발생은 대략 전류의 제곱에 따라 증가합니다.
열 손실 ≒ 전류² × 내부 저항
이것이 전류를 두 배로 늘리면 셀 가열이 훨씬 더 크게 증가할 수 있는 이유입니다.
고속 나트륨 이온 파우치 배터리 팩의 경우 내부 저항 일관성은 용량 일관성만큼 중요합니다.
저온 성능은 나트륨 이온 배터리의 가장 자주 논의되는 장점 중 하나입니다.
일부 나트륨 이온 제제는 -20°C에서 실온 용량의 높은 비율을 유지할 수 있으며 특별히 설계된 특정 셀은 훨씬 더 낮은 온도에서도 계속 방전될 수 있습니다.
그러나 구매자는 모든 나트륨 이온 전지가 -20°C 또는 -40°C에서 잘 작동한다고 가정하지 말아야 합니다.
다음을 포함한 실제 테스트 데이터를 공급업체에 문의하세요.
25°C, 0°C, -10°C 및 -20°C에서의 방전 곡선
시험 방전율
테스트 전 충전 온도
저온 부하에서의 전압 플랫폼
용량 유지
내부 저항 증가
최대 허용 저온 충전 전류
전압 곡선은 특히 중요합니다. 셀은 -20°C에서 정격 용량의 높은 비율을 제공할 수 있지만 부하 시 큰 초기 전압 강하를 경험할 수 있습니다. 이로 인해 BMS 또는 장비 컨트롤러가 저전압 보호를 조기에 트리거할 수 있습니다.
따라서 배터리 팩은 셀의 저온 용량 비율에만 기반을 두기보다는 완전한 시스템으로 평가해야 합니다.
-20°C에서 방전할 수 있는 나트륨 이온 셀은 반드시 동일한 온도에서 정상 속도 충전을 지원하지 않을 수도 있습니다.
저온 충전 전류는 셀 제조업체가 지정한 온도에 따른 경감 곡선을 따라야 합니다.
일반적인 제어 전략에는 다음이 포함될 수 있습니다.
적당한 온도에서 일반 충전
정의된 온도 이하로 충전 전류 감소
극도로 낮은 온도에서 매우 낮은 전류 충전
제조사 최소 한도 미만 충전 완전 금지
정확한 임계값은 세포 화학에 따라 다릅니다.
BMS는 셀 가까이, 특히 팩의 나머지 부분보다 더 추울 수 있는 영역 근처에 위치한 온도 센서를 사용해야 합니다. 더 큰 팩의 경우 일반적으로 단일 온도 센서로는 충분하지 않습니다.
원통형 셀이나 알루미늄 케이스 각형 셀과 달리 파우치 셀에는 견고한 외부 쉘이 없습니다.
알루미늄 적층 필름은 가볍고 공간 효율적이지만 적절한 기계적 보호가 필요합니다.
사이클링 중에 파우치 셀의 두께가 점진적으로 변할 수 있습니다. 과충전, 과열 또는 내부 성능 저하와 같은 비정상적인 조건에서도 가스가 발생하고 부풀어오르는 현상이 발생할 수 있습니다.
따라서 신뢰할 수 있는 팩 구조에는 다음이 포함되어야 합니다.
견고한 엔드 플레이트
압축 제어
탄력있는 쿠셔닝 소재
셀 분리 및 절연
날카로운 모서리로부터 보호
예상되는 셀 두께 변화를 위한 공간
안정적인 모듈 프레임
PU 폼, 실리콘 폼 또는 기타 압축 재료는 셀 사이 또는 셀 스택과 엔드 플레이트 사이에 설치할 수 있습니다.
올바른 압축 압력은 셀마다 다릅니다. 너무 적은 압력을 가하면 과도한 움직임과 팽창이 발생할 수 있으며, 과도한 압력은 전극 스택, 분리기 또는 파우치 씰이 손상될 수 있습니다.
셀 제조업체는 가능할 때마다 권장되는 압축 또는 고정 조건을 제공해야 합니다. 개별 셀 설계를 확인하지 않고 일반적인 압력 범위를 적용해서는 안 됩니다.
탭은 파우치 셀에서 기계적으로 가장 취약한 부분 중 하나입니다.
반복적인 진동, 굽힘 또는 당기는 힘은 탭 루트나 파우치 밀봉 영역을 손상시킬 수 있습니다. 이는 전기 오토바이, 모바일 장비, 해양 응용 분야 및 산업용 차량에서 특히 중요합니다.
좋은 모듈 디자인은 다음과 같아야 합니다.
셀 본체에 가까운 탭을 지지합니다.
부스바가 탭에 무게를 두는 것을 방지합니다.
열팽창 허용
조립 중 반복적으로 구부리지 마십시오.
고정 장치를 사용하여 탭 정렬 유지
날카로운 금속 부품으로부터 탭 밀봉 영역을 보호하세요.
인클로저로부터의 진동 전달을 줄입니다.
용접이나 연결 과정도 탭 재질과 두께와 일치해야 합니다. 알루미늄 및 구리 탭에는 서로 다른 용접 매개변수와 결합 방법이 필요할 수 있습니다.
고전류 프로젝트의 경우 버스바 설계에서 전류 밀도, 온도 상승 및 기계적 응력을 확인해야 합니다.
파우치 형식의 장점 중 하나는 넓고 평평한 표면적입니다. 이는 셀이 모듈에 적절하게 통합될 때 열 전달을 더욱 효율적으로 만들 수 있습니다.
저율 에너지 저장 팩의 경우 셀 표면, 모듈 프레임 및 배터리 인클로저를 통해 열이 제거될 수 있습니다.
고전력 애플리케이션의 경우 설계에 다음이 필요할 수 있습니다.
열 전도성 패드
열전도성 접착제
알루미늄 열 분산기
공기 채널
강제 공기 냉각
액체 냉각판
셀 사이의 열 장벽
감열재는 과도한 압축을 일으키지 않고 양호한 접촉을 제공해야 합니다.
모듈 내의 온도 일관성도 중요합니다. 셀 간의 온도 차이가 크면 저항이 고르지 않고 노화가 고르지 않으며 시간이 지남에 따라 SOC 불균형이 증가할 수 있습니다.
따라서 열 설계는 최대 온도뿐만 아니라 전체 셀 스택의 온도 차이에도 초점을 맞춰야 합니다.
표준 LiFePO4 BMS는 나트륨 이온 배터리 팩에 자동으로 사용되어서는 안 됩니다.
어떤 경우에는 소프트웨어 설정을 통해 기존 BMS 플랫폼을 조정할 수 있습니다. 다른 경우에는 아날로그 프런트 엔드, 샘플링 회로 또는 보호 구성 요소가 필요한 전압 범위를 지원하지 않을 수 있습니다.
BMS는 다음 사항을 확인해야 합니다.
셀 전압 측정 범위
과충전 방지 설정
과방 전 보호 설정
전압 복구 임계값
SOC 알고리즘
온도 보호
충전 전류 디레이팅
균형 전략
최대 팩 전류
단락 보호
통신 프로토콜
나트륨 이온 셀의 방전 차단 전압이 LiFePO4보다 낮은 경우 BMS 아날로그 프런트 엔드는 여전히 낮은 전압에서 정확하게 측정해야 합니다.
충전기와 부하 컨트롤러는 결과적인 팩 전압 범위와도 호환되어야 합니다.
일부 나트륨 이온 화학 및 전지 설계는 매우 낮은 전압 또는 0전압 저장 및 운송을 지원할 수 있습니다.
이는 잠재적으로 안전성을 향상시키고 특정 물류 프로세스를 단순화할 수 있습니다.
그러나 제로 전압 저장은 모든 나트륨 이온 전지의 보편적인 특성은 아닙니다. 이는 셀 제조업체가 명시적으로 확인하고 검증 데이터를 통해 뒷받침되어야 합니다.
배터리 팩은 단순히 나트륨 이온 화학 물질을 사용한다는 이유만으로 0V로 방전되어서는 안 됩니다.
개방 회로 전압과 충전 상태 사이의 관계는 모든 나트륨 이온 화학 물질마다 다릅니다.
LiFePO4와 비교하여 일부 나트륨 이온 셀은 더 경사진 전압 곡선을 가지므로 더 유용한 전압 기반 SOC 정보를 제공할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 일반적으로 전압만으로는 변화하는 부하 및 온도 조건에서 정확한 SOC를 추정하기에는 부족합니다.
신뢰할 수 있는 나트륨 이온 BMS는 다음을 결합할 수 있습니다.
쿨롱 계산
OCV 보정
온도 보상
현재 보상
세포 노화 교정
화학별 SOC 모델
올바른 OCV-SOC 테이블은 다른 모델에서 복사하는 대신 선택한 나트륨 이온 셀에서 생성되어야 합니다.
자체 방전 동작도 평가해야 합니다. 장기간 보관하는 동안 셀에 눈에 띄는 전압 변화가 발생하는 경우 BMS는 충분한 휴식 시간 후에 정기적인 재보정이 필요할 수 있습니다.
직렬로 연결된 모든 배터리 팩에서는 셀 일관성이 여전히 중요합니다.
용량, SOC, 내부 저항 및 자체 방전의 차이로 인해 셀 간의 전압 격차가 점차 커질 수 있습니다.
더 작은 나트륨 이온 팩의 경우 수동 균형 조정으로 충분할 수 있습니다. 적절한 밸런싱 전류는 팩 용량, 셀 일관성 및 사용 가능한 밸런싱 시간에 따라 달라집니다.
대용량 에너지 저장 시스템의 경우 낮은 밸런싱 전류로 인해 의미 있는 SOC 차이를 수정하는 데 너무 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 그런 다음 능동적인 균형 조정을 고려할 수 있습니다.
BMS에 의존하기 전에 셀 공급업체는 다음과 같은 요소를 기반으로 적절한 셀 등급 지정 및 매칭을 수행해야 합니다.
용량
개방 회로 전압
AC 내부 저항
DC 내부 저항
자가방전율
전압 회복
생산 배치
밸런싱은 작동 중 작은 차이를 수정해야 합니다. 일치하지 않는 셀을 보상하는 데 사용해서는 안 됩니다.
데이터시트는 배터리 팩 프로젝트의 시작일 뿐입니다.
대량 생산에 앞서 프로토타입 팩은 실제 적용에 가까운 조건에서 테스트되어야 합니다.
검증 계획에는 다음이 포함될 수 있습니다.
용량 테스트
연속 방전
피크 전류 테스트
고속 충전 테스트
온도 상승 테스트
저온 방전
저온 충전
사이클 수명 테스트
진동 테스트
기계적 충격
압축 테스트
과충전 보호
과방 전 보호
단락 보호
열전파 평가
장기 보관
필요한 인증은 애플리케이션과 시장에 따라 다릅니다.
IEC 62619는 산업용 2차 배터리 애플리케이션과 관련이 있을 수 있습니다. GB 38031은 중국의 전기 자동차에 사용되는 견인 배터리에 적용됩니다. 운송 문서에는 UN38.3, MSDS 및 적절한 위험물 운송 평가도 포함될 수 있습니다.
적용 가능한 규격은 단지 셀 종류에 따라 선택하기보다는 최종 배터리 팩, 시장, 용도에 따라 확정되어야 한다.
나트륨 이온 파우치 셀을 확인하기 전에 다음 질문을 검토하십시오.
공칭, 최대 및 최소 시스템 전압은 무엇입니까?
연속 작동 전류는 얼마입니까?
피크 전류는 얼마나 높으며 얼마나 오래 지속됩니까?
필요한 충전 시간은 얼마나 되나요?
회생충전도 포함되나요?
최저 토출 온도는 얼마입니까?
최저 충전 온도는 얼마입니까?
팩이 진동, 습기 또는 염수 분무에 노출됩니까?
능동적 가열 또는 냉각이 필요합니까?
어떤 나트륨 이온 화학이 사용됩니까?
실제 에너지 밀도는 얼마입니까?
충전 및 방전 전압 제한은 무엇입니까?
연속 및 펄스 전류 정격은 무엇입니까?
저온 곡선을 사용할 수 있습니까?
어떤 압축 조건이 권장됩니까?
두께 변화를 위한 충분한 공간이 있습니까?
파우치 표면은 보호되어 있나요?
탭이 기계적으로 지원됩니까?
모듈 프레임이 충분히 견고합니까?
모든 세포에서 열이 고르게 전달될 수 있습니까?
AFE는 전체 전압 범위를 지원합니까?
보호 임계값을 조정할 수 있나요?
선택한 나트륨 이온 전지에 대해 SOC 모델이 개발되었습니까?
저온 충전 디레이팅도 포함되나요?
밸런싱 전류가 팩 용량에 적합한가요?
반드시 그런 것은 아닙니다.
나트륨 이온 파우치 셀은 저온 성능, 전력 성능, 안전성, 재료 가용성 또는 유연한 셀 크기가 중요한 경우 매우 경쟁력이 있을 수 있습니다.
LiFePO4는 프로젝트에 성숙한 공급망, 널리 사용 가능한 충전 시스템, 입증된 장기 현장 데이터 및 확립된 인증 지원이 필요한 경우 여전히 더 적합할 수 있습니다.
최소 무게와 최대 에너지 밀도가 최우선 사항인 경우 NMC 리튬 이온이 더 나은 선택이 될 수 있습니다.
결정은 화학 마케팅에만 국한되지 않고 전체 배터리 시스템을 기반으로 이루어져야 합니다.
기술적으로 적합한 셀은 인클로저, 냉각 시스템, BMS, 충전기, 컨트롤러, 인증 계획 및 목표 비용과 함께 작동해야 합니다.
Misen은 개별 셀 공급 이상의 측면에서 고객과 협력합니다.
나트륨 이온 파우치 배터리 프로젝트의 경우 당사의 지원에는 다음이 포함됩니다.
전압, 용량 및 전류 요구 사항에 따른 셀 선택
나트륨 이온 및 리튬 배터리 비교
파우치 셀 치수 선택
용량 및 내부 저항 정합
직렬 및 병렬 구성 설계
기계적 압축 권장 사항
탭 및 버스바 연결 설계
열 관리 계획
나트륨 이온 BMS 매개변수 조정
프로토타입 배터리 팩 개발
셀 및 팩 테스트 지원
OEM 및 ODM 배터리 솔루션
새로운 나트륨 이온 프로젝트의 경우 용량만으로 셀을 선택하기보다는 실제 응용 데이터부터 시작하는 것이 좋습니다.
필요한 전압, 용량, 연속 전류, 피크 전류, 작동 온도, 사용 가능한 치수 및 예상 주문 수량을 공유하십시오. 당사의 엔지니어링 팀은 나트륨 이온 파우치 셀이 기술적으로나 상업적으로 귀하의 배터리 팩에 적합한지 평가하는 데 도움을 드릴 수 있습니다.
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