Как выбрать натрий-ионные аккумуляторные батареи и спроектировать надежный аккумулятор

Натрий-ионные аккумуляторы вызывают растущий интерес к хранению энергии, электрическим двухколесным транспортным средствам, промышленному оборудованию и легкой мобильности. Их привлекательность не основана на одном преимуществе. В зависимости от химического состава элементов натрий-ионная технология может обеспечить хорошие низкотемпературные характеристики разряда, высокую мощность, улучшенную доступность сырья и потенциально более стабильную структуру затрат.

В то же время пакетная упаковка дает разработчикам аккумуляторов большую свободу в выборе размеров элементов, толщины упаковки и термической компоновки. Таким образом, натрий-ионный пакетный элемент может быть привлекательным вариантом для проектов, которым нужен легкий, настраиваемый формат батареи, а не стандартный цилиндрический или призматический элемент.

Однако выбор натрий-ионного карманного элемента — это не просто вопрос замены существующего элемента LiFePO4 моделью с ионами натрия аналогичной емкости. Кривая напряжения, диапазон полезного напряжения, плотность энергии, пределы зарядки, настройки BMS и механическая конструкция могут различаться.

В этом руководстве объясняются основные факторы, которые следует оценить перед началом проекта по созданию карманного натрий-ионного аккумулятора.

Почему натрий-ионным карманным клеткам уделяется больше внимания

Натрий-ионную технологию часто обсуждают как альтернативу литий-ионным батареям, но в практических проектах правильнее рассматривать ее как еще одну химию батареи со своими сильными сторонами и ограничениями.

Это может быть особенно интересно для приложений, которые отдают приоритет:

• Эксплуатация в холодных условиях

• Высокая выходная мощность

• Возможность быстрой зарядки

• Доступность материалов и долгосрочный контроль затрат

• Повышенная безопасность транспортировки и хранения.

• Пользовательские размеры ячеек

• Стационарные или маломобильные применения, где максимальная плотность энергии не является единственным приоритетом.

Ячейки-мешочки добавляют еще один уровень гибкости. Поскольку элемент заключен в ламинированную алюминием пленку, а не в жесткую стальную или алюминиевую банку, его можно производить в более широком диапазоне толщины, ширины и длины.

Это делает натрий-ионные карманные элементы подходящими для нестандартных аккумуляторных блоков, где доступное пространство неравномерно или где необходимо тщательно контролировать распределение веса и рассеивание тепла.

1. Сначала изучите химию натрий-ионных клеток.

Не во всех натрий-ионных элементах используются одни и те же материалы катода и анода. Их платформа напряжения, срок службы, низкотемпературные характеристики и плотность энергии могут значительно различаться.

Обычные катодные системы с ионами натрия включают:

• Слоистые оксидные материалы

• Материалы берлинского синего или берлинского белого цвета.

• Полианионные материалы

Слоистые оксидные элементы часто рассматриваются, когда проект требует относительно высокой плотности энергии и высоких энергетических характеристик.

Системы «берлинская лазурь» и «берлинская белая» могут предложить преимущества в стоимости, производительности и работе при низких температурах, хотя их производительность во многом зависит от качества материала и производственного контроля.

Полианионные системы могут быть выбраны для проектов, в которых больший упор делается на структурную стабильность, безопасность и длительный срок службы.

По этой причине покупателям не следует оценивать карманный натрий-ионный аккумулятор только по номинальной емкости. Также следует просмотреть систему материалов и полные данные испытаний.

2. Проверьте платформу напряжения и рабочее окно.

Один из первых вопросов в проекте по созданию натрий-ионной батареи — совместимо ли напряжение системы с предполагаемым оборудованием.

Многие натрий-ионные элементы имеют номинальное напряжение примерно от 3,0 до 3,2 В, но фактическое значение зависит от химического состава и производителя.

Диапазон рабочего напряжения также может быть шире, чем у LiFePO4. Некоторые натрий-ионные элементы могут работать от напряжения примерно 1,5 В или 2,0 В на нижнем конце до примерно 4,0 В или 4,1 В при полной зарядке.

Эти значения не следует рассматривать как универсальные настройки. Правильное напряжение отключения заряда, напряжение отключения разряда и рекомендуемое рабочее окно всегда должны быть указаны в спецификации элемента.

Широкий диапазон напряжения влияет на несколько областей конструкции аккумуляторных батарей:

• Количество ячеек, соединенных последовательно

• Максимальное и минимальное напряжение аккумуляторной батареи

• Выходное напряжение зарядного устройства

• Диапазон контроля напряжения BMS

• Совместимость с инвертором или контроллером двигателя

• Оценка SOC

• Настройки защиты от низкого напряжения

Например, замена аккумулятора 16S LiFePO4 на натрий-ионный аккумулятор 16S может не обеспечить одинаковое номинальное, полностью заряженное или полностью разряженное напряжение аккумулятора. Поэтому правильную конфигурацию серии следует рассчитывать на основе приемлемого входного диапазона оборудования, а не копировать из существующей конструкции литиевой батареи.

3. Реалистичная оценка мощности и плотности энергии

Современные натрий-ионные элементы обычно имеют более низкую гравиметрическую плотность энергии, чем высокоэнергетические литий-ионные элементы NMC. Они также могут оставаться ниже зрелых решений LiFePO4 в некоторых коммерческих форматах.

Практический диапазон плотности энергии для натрий-ионных пакетных элементов может составлять от 100 до 160 Втч/кг, в зависимости от химического состава, конструкции элемента и стадии производства.

Слоистые оксидные системы с более высокой энергией могут рассматриваться для легких электромобилей или других применений, где важны вес и объем упаковки.

Для стационарного хранилища, резервного источника питания или низкоскоростного оборудования плотность энергии может быть менее критичной, чем срок службы, низкотемпературные характеристики, безопасность и стоимость.

При сравнении ячеек не полагайтесь только на емкость, указанную на этикетке. Обзор:

• Номинальная энергия в ватт-часах

• Вес ячейки

• Размеры ячейки

• Объемная плотность энергии

• Гравиметрическая плотность энергии

• Полезная мощность в рекомендуемом диапазоне напряжения

• Сохранение емкости при запланированной скорости разряда

• Сохранение емкости при низкой температуре

Элемент с более высокой номинальной емкостью не обязательно может обеспечивать больше полезной энергии в условиях сильного тока или в условиях холодной погоды.

4. Сопоставьте скорость разряда с реальной нагрузкой.

Натрий-ионные элементы могут обеспечивать хорошую ионную проводимость и энергетические характеристики, но производительность по-прежнему сильно различается между моделями.

Некоторые натрий-ионные аккумуляторные батареи предназначены для хранения энергии и могут поддерживать умеренный непрерывный ток. Другие оптимизированы для энергетических приложений и могут поддерживать значительно более высокие скорости зарядки и разрядки.

Разработчик батареи должен определить:

• Нормальный непрерывный ток

• Пиковый ток

• Продолжительность пикового тока

• Частота пиковых нагрузок

• Регенеративный зарядный ток

• Максимальный ток зарядного устройства

• Самая низкая ожидаемая рабочая температура

В электрическом двухколесном транспортном средстве аккумулятор может испытывать кратковременные пики ускорения, намного превышающие средний ток езды. Для системы хранения энергии нагрузка может быть более стабильной, но продолжаться несколько часов.

Номинал непрерывного разряда элемента следует выбирать в зависимости от постоянной нагрузки, а номинал импульса должен соответствовать как пиковому току, так и его продолжительности.

Также важно проверить внутреннее сопротивление элемента по постоянному току. Технически ячейка может выдерживать большой ток, но при этом выделять избыточное тепло, если ее сопротивление слишком велико.

Выделение тепла увеличивается примерно пропорционально квадрату тока:

Тепловые потери ≈ Ток² × Внутреннее сопротивление

Вот почему удвоение тока может привести к гораздо большему увеличению нагрева ячейки.

Для высокоскоростных натрий-ионных аккумуляторных батарей постоянство внутреннего сопротивления так же важно, как и постоянство емкости.

5. Проверьте работоспособность при низких температурах с помощью тестовых кривых.

Низкотемпературные характеристики — одно из наиболее часто обсуждаемых преимуществ натрий-ионных аккумуляторов.

Некоторые составы с ионами натрия могут сохранять значительную часть своей емкости при комнатной температуре при -20°C, а некоторые специально разработанные элементы могут продолжать разряжаться даже при более низких температурах.

Однако покупателям не следует полагать, что каждый натрий-ионный элемент хорошо работает при -20°C или -40°C.

Запросите у поставщика фактические данные испытаний, включая:

• Кривые разряда при 25°C, 0°C, -10°C и -20°C

• Тестовая скорость разряда

• Температура заряда перед испытанием

• Платформа напряжения под низкотемпературной нагрузкой

• Сохранение емкости

• Увеличение внутреннего сопротивления

• Максимально допустимый низкотемпературный зарядный ток

Кривая напряжения особенно важна. Элемент может обеспечивать высокий процент своей номинальной емкости при температуре -20°C, но испытывает большое начальное падение напряжения под нагрузкой. Это может привести к преждевременному срабатыванию защиты от низкого напряжения системой BMS или контроллером оборудования.

Поэтому аккумуляторную батарею следует оценивать как целостную систему, а не только на основе процента низкотемпературной емкости элемента.

6. Не думайте, что низкотемпературный разряд означает неограниченную зарядку.

Натрий-ионный элемент, который может разряжаться при температуре -20°C, не обязательно поддерживает зарядку с нормальной скоростью при той же температуре.

Ток низкотемпературного заряда должен следовать кривой снижения характеристик в зависимости от температуры, указанной производителем элемента.

Типичная стратегия контроля может включать:

• Нормальная зарядка при умеренных температурах

• Снижение зарядного тока ниже определенной температуры

• Очень низкий ток зарядки при экстремально низких температурах

• Полный запрет на зарядку ниже минимального предела, установленного производителем.

Точные пороговые значения зависят от химического состава клеток.

BMS должна использовать датчики температуры, расположенные рядом с ячейками, особенно рядом с областями, которые могут быть более холодными, чем остальная часть блока. Для более крупных упаковок одного датчика температуры обычно недостаточно.

7. Разработка механического сжатия для ячеек-мешочков.

В отличие от цилиндрических ячеек или призматических ячеек в алюминиевом корпусе, ячейки «мешочек» не имеют жесткой внешней оболочки.

Пленка, ламинированная алюминием, легкая и компактная, но требует надлежащей механической защиты.

Во время езды на велосипеде толщина ячеек мешочка может постепенно изменяться. Аномальные условия, такие как перезарядка, перегрев или внутренняя деградация, также могут выделять газ и вызывать вздутие.

Поэтому надежная структура упаковки должна включать:

• Жесткие торцевые пластины

• Контролируемое сжатие

• Эластичный амортизирующий материал

• Разделение и изоляция ячеек

• Защита от острых краев

• Пространство для ожидаемого изменения толщины ячеек

• Стабильная рама модуля

Пенополиуретан, силиконовая пена или другие компрессионные материалы могут быть установлены между элементами или между пакетом элементов и торцевыми пластинами.

Правильное давление сжатия зависит от клетки. Приложение слишком малого давления может привести к чрезмерному движению и набуханию, а чрезмерное давление может привести к повреждению блока электродов, сепаратора или уплотнения пакета.

Производитель элемента должен по возможности обеспечивать рекомендуемые условия сжатия или фиксации. Общий диапазон давления не следует применять без подтверждения конструкции отдельной ячейки.

8. Защитите язычки ячеек мешочка

Вкладки являются одними из наиболее механически уязвимых частей ячейки мешочка.

Повторяющаяся вибрация, изгибающие или тянущие усилия могут повредить основание язычка или область запечатывания пакета. Это особенно важно для электрических мотоциклов, мобильного оборудования, морского транспорта и промышленных транспортных средств.

Хороший дизайн модуля должен:

• Поддержка вкладок рядом с телом ячейки

• Предотвратите нагрузку шины на выступы

• Учитывайте тепловое расширение

• Избегайте повторных изгибов во время сборки.

• Используйте приспособления для поддержания выравнивания табуляции.

• Защищайте область уплотнения язычка от острых металлических деталей.

• Уменьшите передачу вибрации от корпуса

Процесс сварки или соединения также должен соответствовать материалу и толщине выступа. Для алюминиевых и медных вкладок могут потребоваться разные параметры сварки и методы соединения.

Для сильноточных проектов конструкция шин должна быть проверена на предмет плотности тока, повышения температуры и механических напряжений.

9. Используйте большую поверхность ячеек для управления температурой

Одним из преимуществ формата пакета является его большая плоская поверхность. Это может сделать теплообмен более эффективным, если ячейка правильно интегрирована в модуль.

Для низкоскоростных накопителей энергии тепло может отводиться через поверхности элементов, каркас модуля и корпус батареи.

Для приложений с более высокой мощностью конструкция может потребовать:

• Теплопроводящие прокладки

• Теплопроводящий клей

• Алюминиевые теплораспределители

• Воздушные каналы

• Принудительное воздушное охлаждение

• Пластины с жидкостным охлаждением

• Тепловые барьеры между клетками

Материал термоинтерфейса должен обеспечивать хороший контакт, не создавая чрезмерного сжатия.

Также важна постоянство температуры внутри модуля. Большая разница температур между элементами может привести к неравномерному сопротивлению, неравномерному старению и увеличению дисбаланса SOC с течением времени.

Поэтому тепловой расчет должен фокусироваться не только на максимальной температуре, но и на разнице температур по всему блоку ячеек.

10. Используйте BMS, совместимую с характеристиками напряжения ионов натрия.

Стандартный LiFePO4 BMS не следует автоматически использовать для натрий-ионного аккумуляторного блока.

В некоторых случаях существующую платформу BMS можно адаптировать с помощью настроек программного обеспечения. В других случаях аналоговый входной каскад, схема выборки или компоненты защиты могут не поддерживать требуемый диапазон напряжения.

BMS следует проверить на наличие:

• Диапазон измерения напряжения ячейки

• Настройка защиты от перезаряда

• Настройка защиты от переразряда

• Пороги восстановления напряжения

• Алгоритм SOC

• Температурная защита

• Снижение зарядного тока

• Балансирующая стратегия

• Максимальный ток упаковки

• Защита от короткого замыкания

• Протокол связи

Если натрий-ионный элемент имеет более низкое напряжение отсечки разряда, чем LiFePO4, аналоговый входной каскад BMS все равно должен производить точные измерения при этом низком напряжении.

Зарядное устройство и контроллер нагрузки также должны оставаться совместимыми с результирующим окном напряжения аккумуляторной батареи.

Можно ли хранить натрий-ионные элементы при напряжении 0 В?

Некоторые химические процессы и конструкции элементов ионов натрия могут поддерживать хранение и транспортировку при очень низком или нулевом напряжении.

Это потенциально может повысить безопасность и упростить некоторые логистические процессы.

Однако хранение при нулевом напряжении не является универсальной характеристикой всех натрий-ионных ячеек. Это должно быть явно подтверждено производителем элемента и подтверждено данными проверки.

Аккумулятор никогда не следует разряжать до 0 В только потому, что в нем используется химия ионов натрия.

11. Перекалибровать алгоритм SOC

Взаимосвязь между напряжением холостого хода и состоянием заряда различна для каждого химического состава ионов натрия.

По сравнению с LiFePO4, некоторые натрий-ионные элементы имеют более наклонную кривую напряжения, что может предоставить более полезную информацию о SOC на основе напряжения. Даже в этом случае одного напряжения обычно недостаточно для точной оценки SOC при изменении условий нагрузки и температуры.

Надежная натрий-ионная BMS может сочетать в себе:

• Кулоновский счет

• коррекция OCV

• Температурная компенсация

• Текущая компенсация

• Коррекция клеточного старения

• Модель SOC, специфичная для химии

Правильную таблицу OCV-SOC следует создавать на основе выбранной натрий-ионной ячейки, а не копировать из другой модели.

Также следует оценить поведение саморазряда. Если в элементе наблюдается заметное изменение напряжения во время длительного хранения, BMS может потребоваться периодическая повторная калибровка после достаточного времени отдыха.

12. Выберите правильную стратегию балансировки

Согласованность элементов остается важной в каждом последовательно соединенном аккумуляторном блоке.

Различия в емкости, SOC, внутреннем сопротивлении и саморазряде могут постепенно увеличивать разрыв напряжения между элементами.

Для небольших натрий-ионных блоков пассивной балансировки может быть достаточно. Соответствующий ток балансировки зависит от емкости аккумулятора, целостности элемента и доступного времени балансировки.

Для систем хранения энергии большей емкости низкий ток балансировки может занять слишком много времени, чтобы исправить значительную разницу SOC. Тогда можно рассмотреть возможность активной балансировки.

Прежде чем полагаться на BMS, поставщик ячеек должен выполнить правильную классификацию и сопоставление ячеек на основе таких факторов, как:

• Емкость

• Напряжение холостого хода

• Внутреннее сопротивление переменного тока

• Внутреннее сопротивление постоянного тока

• Скорость саморазряда

• Восстановление напряжения

• Производственная партия

Балансировка должна корректировать небольшие различия в процессе эксплуатации. Его не следует использовать для компенсации плохо подобранных клеток.

13. Создайте план проверки для конкретного проекта.

Техническое описание — это только начало проекта аккумуляторной батареи.

Перед массовым производством прототипы упаковок должны быть протестированы в условиях, приближенных к реальному применению.

План валидации может включать в себя:

• Тестирование мощности

• Разряд постоянного тока

• Тестирование пикового тока

• Тестирование быстрой зарядки

• Тестирование на повышение температуры

• Низкотемпературный разряд

• Низкотемпературная зарядка

• Тестирование срока службы

• Вибрационные испытания

• Механический удар

• Испытание на сжатие

• Защита от перезаряда

• Защита от переразряда

• Защита от короткого замыкания

• Оценка теплового распространения

• Длительное хранение

Требуемая сертификация зависит от применения и рынка.

МЭК 62619 может быть применим к промышленным вторичным батареям. GB 38031 применяется к тяговым батареям, используемым в электромобилях в Китае. Транспортная документация может также включать UN38.3, MSDS и соответствующую оценку перевозки опасных грузов.

Применимый стандарт следует подтверждать на основе конечного аккумуляторного блока, рынка и применения, а не выбирать только в зависимости от типа элемента.

Контрольный список проекта натрий-ионной карманной ячейки

Прежде чем подтвердить выбор натрий-ионной ячейки, ответьте на следующие вопросы:

Электрические требования

• Каковы номинальное, максимальное и минимальное напряжение системы?

• Каков постоянный рабочий ток?

• Насколько велик пиковый ток и как долго он длится?

• Каково необходимое время зарядки?

• Используется ли рекуперативная зарядка?

Экологические требования

• Какова минимальная температура нагнетания?

• Какова минимальная температура зарядки?

• Будет ли упаковка подвергаться воздействию вибрации, влажности или солевого тумана?

• Требуется ли активное отопление или охлаждение?

Требования к ячейке

• Какой химический состав ионов натрия используется?

• Какова фактическая плотность энергии?

• Каковы пределы напряжения заряда и разряда?

• Каковы номинальные значения постоянного и импульсного тока?

• Имеются ли низкотемпературные кривые?

• Какие условия сжатия рекомендуются?

Механические требования

• Достаточно ли места для изменения толщины?

• Защищены ли поверхности пакета?

• Поддерживаются ли вкладки механически?

• Достаточно ли жесткий каркас модуля?

• Может ли тепло передаваться равномерно от каждой клетки?

Требования к BMS

• Поддерживает ли AFE полный диапазон напряжения?

• Регулируются ли пороги защиты?

• Разработана ли модель SOC для выбранной натрий-ионной ячейки?

• Включено ли снижение номинальных характеристик зарядки при низкой температуре?

• Соответствует ли ток балансировки емкости аккумулятора?

Подходит ли натрий-ионная карманная ячейка для каждого проекта?

Не обязательно.

Натрий-ионные карманные элементы могут быть весьма конкурентоспособными там, где важны низкотемпературные характеристики, мощность, безопасность, доступность материалов или гибкие размеры элементов.

LiFePO4 может оказаться более подходящим, когда проекту требуется зрелая цепочка поставок, широко доступные системы зарядки, проверенные долгосрочные полевые данные и налаженная сертификационная поддержка.

Литий-ионный аккумулятор NMC может оставаться лучшим выбором, когда минимальный вес и максимальная плотность энергии являются наивысшими приоритетами.

Решение должно основываться на всей аккумуляторной системе, а не только на маркетинге химии.

Технически подходящий элемент должен работать с корпусом, системой охлаждения, BMS, зарядным устройством, контроллером, планом сертификации и целевой стоимостью.

Как Misen поддерживает проекты по производству натрий-ионных аккумуляторов

Мисен работает с клиентами не только по поставкам отдельных ячеек.

Для проектов по производству натрий-ионных аккумуляторов наша поддержка может включать в себя:

• Выбор ячейки в соответствии с требованиями к напряжению, емкости и току

• Сравнение натрий-ионных и литиевых батарей

• Выбор размера ячейки мешочка

• Согласование емкости и внутреннего сопротивления

• Последовательная и параллельная конфигурация

• Рекомендации по механическому сжатию

• Конструкция соединения вкладок и шин

• Планирование терморегулирования

• Координация параметров натрий-ионной системы BMS

• Разработка прототипа аккумуляторной батареи

• Поддержка тестирования ячеек и пакетов

• OEM и ODM аккумуляторные решения

Для новых натрий-ионных проектов мы рекомендуем начинать с фактических данных применения, а не выбирать ячейку только на основании ее емкости.

Поделитесь необходимым напряжением, мощностью, постоянным током, пиковым током, рабочей температурой, доступными размерами и ожидаемым объемом заказа. Наша команда инженеров может помочь оценить, подходит ли натрий-ионный карманный элемент с технической и коммерческой точки зрения для вашего аккумуляторного блока.

Ищете натрий-ионный карманный элемент или индивидуальное решение для натрий-ионного аккумулятора? Свяжитесь с Мисеном, чтобы обсудить требования вашего проекта.