Kako izbrati natrijevo-ionske vrečke in oblikovati zanesljivo baterijo

Natrijeve ionske baterije vzbujajo vse večje zanimanje za shranjevanje energije, električne dvokolesnike, industrijsko opremo in lahke mobilnosti. Njihova privlačnost ne temelji na eni sami prednosti. Odvisno od kemije celice lahko tehnologija natrijevih ionov ponudi dobro zmogljivost praznjenja pri nizkih temperaturah, močno zmogljivost napajanja, izboljšano razpoložljivost surovin in potencialno stabilnejšo stroškovno strukturo.

Hkrati daje embalaža v vrečke oblikovalcem baterij večjo svobodo glede dimenzij celic, debeline paketa in toplotne postavitve. Natrijeva ionska vrečka je zato lahko privlačna možnost za projekte, ki potrebujejo lahek, prilagodljiv format baterije namesto standardne cilindrične ali prizmatične celice.

Vendar izbira celice z natrijevimi ioni ni le stvar zamenjave obstoječe celice LiFePO4 z modelom natrijevih ionov podobne zmogljivosti. Krivulja napetosti, razpon uporabne napetosti, gostota energije, meje polnjenja, nastavitve BMS in mehanska struktura so lahko različni.

V tem priročniku so razloženi glavni dejavniki, ki jih je treba ovrednotiti pred začetkom projekta natrijevega ionskega paketa baterij.

Zakaj so natrijevo-ionske vrečke deležne več pozornosti

O natrijevo-ionski tehnologiji se pogosto razpravlja kot o alternativi litij-ionskim baterijam, vendar je v praktičnih projektih natančneje nanjo gledati kot na drugo baterijsko kemijo s svojimi prednostmi in omejitvami.

Lahko je še posebej zanimivo za aplikacije, ki dajejo prednost:

• Delovanje v hladnih okoljih

• Visoka izhodna moč

• Možnost hitrega polnjenja

• Dobavljivost materiala in dolgoročni nadzor stroškov

• Izboljšana varnost transporta in skladiščenja

• Mere celic po meri

• Stacionarne ali lahke mobilnosti, kjer največja gostota energije ni edina prednostna naloga

Celice vrečk dodajo še eno plast prilagodljivosti. Ker je celica zaprta v z aluminijem laminirano folijo namesto v togo jekleno ali aluminijasto pločevinko, jo je mogoče izdelati v širšem razponu debelin, širin in dolžin.

Zaradi tega so natrijevo-ionske vrečke primerne za baterijske pakete po meri, kjer je razpoložljiv prostor neenakomeren ali kjer je treba skrbno nadzorovati porazdelitev teže in odvajanje toplote.

1. Najprej razumejte kemijo natrijevih ionov v celici

Vse natrijeve ionske celice ne uporabljajo enakih katodnih in anodnih materialov. Njihova napetostna platforma, življenjska doba cikla, zmogljivost pri nizkih temperaturah in energijska gostota se lahko zelo razlikujejo.

Običajni katodni sistemi natrij-ion vključujejo:

• Večplastni oksidni materiali

• Prusko modri ali prusko beli materiali

• Polianionski materiali

Večplastne oksidne celice se pogosto upoštevajo, ko projekt zahteva razmeroma visoko energijsko gostoto in močno moč.

Prusko modri in prusko beli sistemi lahko nudijo prednosti pri stroških, hitrosti in delovanju pri nizkih temperaturah, čeprav je njihova učinkovitost močno odvisna od kakovosti materiala in nadzora proizvodnje.

Polianionske sisteme je mogoče izbrati za projekte, ki dajejo večji poudarek strukturni stabilnosti, varnosti in dolgi življenjski cikli.

Iz tega razloga kupci ne bi smeli ocenjevati celice z natrijevimi ioni samo glede na nazivno kapaciteto. Prav tako je treba pregledati materialni sistem in celotne podatke o preskusu.

2. Preverite napetostno platformo in operacijsko okno

Eno prvih vprašanj pri projektu natrijevih ionskih baterij je, ali je sistemska napetost združljiva s predvideno opremo.

Veliko natrijevih ionskih celic ima nazivno napetost približno 3,0 V do 3,2 V, vendar je dejanska vrednost odvisna od kemije in proizvajalca.

Razpon delovne napetosti je lahko tudi širši kot pri LiFePO4. Nekatere natrijeve ionske celice lahko delujejo od približno 1,5 V ali 2,0 V na spodnjem koncu do približno 4,0 V ali 4,1 V pri polni napolnjenosti.

Te vrednosti se ne smejo obravnavati kot univerzalne nastavitve. Pravilna mejna napetost polnjenja, mejna napetost praznjenja in priporočeno delovno okno morajo vedno izhajati iz specifikacije celice.

Širok razpon napetosti vpliva na več področij zasnove paketa baterij:

• Število zaporedno povezanih celic

• Najvišja in najmanjša napetost baterije

• Izhodna napetost polnilnika

• BMS območje nadzora napetosti

• Združljivost pretvornika ali krmilnika motorja

• Ocena SOC

• Nastavitve nizkonapetostne zaščite

Na primer, zamenjava paketa 16S LiFePO4 z paketom 16S natrijevih ionov morda ne bo povzročila enake nominalne, popolnoma napolnjene ali popolnoma izpraznjene napetosti paketa. Pravilno serijsko konfiguracijo je zato treba izračunati iz sprejemljivega vhodnega obsega opreme in ne kopirati iz obstoječe zasnove litijeve baterije.

3. Realistično ocenite zmogljivost in energijsko gostoto

Trenutne natrijeve ionske celice imajo na splošno nižjo gravimetrično energijsko gostoto kot visokoenergijske NMC litij-ionske celice. V nekaterih komercialnih formatih lahko tudi ostanejo pod zrelimi raztopinami LiFePO4.

Praktično območje energijske gostote za celice z natrijevimi ioni lahko pade med 100 in 160 Wh/kg, odvisno od kemije, zasnove celice in proizvodne stopnje.

Večenergijski večplastni oksidni sistemi se lahko upoštevajo pri lahkih električnih vozilih ali drugih aplikacijah, kjer sta teža in prostornina paketa pomembni.

Za stacionarno shranjevanje, rezervno napajanje ali nizkohitrostno opremo je gostota energije lahko manj kritična kot življenjska doba cikla, zmogljivost pri nizkih temperaturah, varnost in stroški.

Ko primerjate celice, se ne zanašajte samo na kapaciteto, ki je natisnjena na etiketi. Pregled:

• Nazivna energija v vatnih urah

• Teža celice

• Dimenzije celice

• Volumetrična energijska gostota

• Gravimetrična energijska gostota

• Uporabna zmogljivost znotraj priporočenega napetostnega območja

• Zadrževanje zmogljivosti pri predvideni stopnji praznjenja

• Ohranjanje zmogljivosti pri nizki temperaturi

Ni nujno, da celica z višjo nazivno zmogljivostjo zagotovi več uporabne energije v pogojih visokega toka ali hladnega vremena.

4. Povežite stopnjo praznjenja z dejansko obremenitvijo

Natrijeve ionske celice lahko nudijo dobro ionsko prevodnost in moč, vendar se hitrost še vedno zelo razlikuje med modeli.

Nekatere celice z natrijevimi ioni so zasnovane za shranjevanje energije in lahko podpirajo zmeren neprekinjen tok. Drugi so optimizirani za električne aplikacije in lahko podpirajo znatno višje stopnje polnjenja in praznjenja.

Projektant akumulatorja mora določiti:

• Normalni trajni tok

• Vrhunski tok

• Trajanje vršnega toka

• Pogostost koničnih obremenitev

• Regenerativni polnilni tok

• Največji tok polnilnika

• Najnižja pričakovana delovna temperatura

Pri električnem dvokolesnem vozilu lahko baterija doživi kratke konice pospeška, ki so daleč nad povprečnim tokom vožnje. Pri sistemu za shranjevanje energije je lahko obremenitev bolj stabilna, vendar lahko traja več ur.

Stopnjo neprekinjenega praznjenja celice je treba izbrati na podlagi trajne obremenitve, medtem ko se mora ocena impulza ujemati z najvišjim tokom in njegovim trajanjem.

Pomembno je tudi preveriti notranji upor celice na enosmerni tok. Celica lahko tehnično podpira visok tok, vendar še vedno ustvarja prekomerno toploto, če je njen upor previsok.

Proizvodnja toplote narašča približno s kvadratom toka:

Toplotna izguba ≈ Tok² × Notranji upor

Zato lahko podvojitev toka povzroči veliko večje povečanje segrevanja celic.

Pri zmogljivih natrijevih ionskih baterijskih vložkih je doslednost notranjega upora prav tako pomembna kot doslednost zmogljivosti.

5. Preverite delovanje pri nizkih temperaturah s preskusnimi krivuljami

Zmogljivost pri nizkih temperaturah je ena najpogosteje obravnavanih prednosti natrijevih ionskih baterij.

Nekatere formulacije natrijevih ionov lahko ohranijo velik delež svoje zmogljivosti pri sobni temperaturi pri -20 °C, nekatere posebej zasnovane celice pa se lahko še naprej praznijo pri še nižjih temperaturah.

Vendar naj se kupci izogibajo domnevi, da vsaka natrijeva ionska celica dobro deluje pri -20 °C ali -40 °C.

Prosite dobavitelja za dejanske podatke o preskusih, vključno z:

• Krivulje praznjenja pri 25 °C, 0 °C, -10 °C in -20 °C

• Testna stopnja praznjenja

• Temperatura polnjenja pred preskusom

• Napetostna ploščad pod nizkotemperaturno obremenitvijo

• Ohranjanje zmogljivosti

• Povečanje notranjega upora

• Največji dovoljeni nizkotemperaturni polnilni tok

Posebno pomembna je napetostna krivulja. Celica lahko zagotovi visok odstotek svoje nazivne zmogljivosti pri -20 °C, vendar doživi velik začetni padec napetosti pod obremenitvijo. To lahko povzroči, da BMS ali krmilnik opreme prezgodaj sproži nizkonapetostno zaščito.

Paket baterij je zato treba oceniti kot celoten sistem in ne le na podlagi odstotka nizkotemperaturne zmogljivosti celice.

6. Ne domnevajte, da nizkotemperaturna razelektritev pomeni neomejeno polnjenje

Natrijeva ionska celica, ki se lahko prazni pri -20 °C, morda ne podpira normalnega polnjenja pri enaki temperaturi.

Nizkotemperaturni polnilni tok mora slediti temperaturno odvisni krivulji zmanjšanja moči, ki jo določi proizvajalec celice.

Tipična nadzorna strategija lahko vključuje:

• Normalno polnjenje pri zmernih temperaturah

• Zmanjšan polnilni tok pod določeno temperaturo

• Zelo nizek tok polnjenja pri izjemno nizkih temperaturah

• Popolna prepoved polnjenja pod minimalno mejo proizvajalca

Natančni pragovi so odvisni od celične kemije.

BMS mora uporabljati temperaturne senzorje, nameščene blizu celic, zlasti v bližini območij, ki bodo verjetno hladnejša od preostalega paketa. Za večja pakiranja en sam temperaturni senzor običajno ni dovolj.

7. Načrtujte mehansko stiskanje za vrečke

V nasprotju s cilindričnimi celicami ali prizmatičnimi celicami z aluminijastim ohišjem celice v vrečkah nimajo togega zunanjega ovoja.

Z aluminijem laminirana folija je lahka in prostorsko učinkovita, vendar zahteva ustrezno mehansko zaščito.

Med cikliranjem se lahko celice vrečk postopno spremenijo v debelino. Nenormalni pogoji, kot so prenapolnjenost, pregrevanje ali notranja degradacija, lahko prav tako proizvajajo plin in povzročijo otekanje.

Zanesljiva struktura paketa mora torej vključevati:

• Toge končne plošče

• Nadzorovano stiskanje

• Elastičen blažilni material

• Ločevanje in izolacija celic

• Zaščita pred ostrimi robovi

• Prostor za pričakovane spremembe debeline celic

• Stabilen okvir modula

PU pena, silikonska pena ali drugi kompresijski materiali se lahko namestijo med celice ali med sklop celic in končne plošče.

Pravilni kompresijski tlak je odvisen od celice. Uporaba premajhnega pritiska lahko povzroči prekomerno premikanje in otekanje, medtem ko lahko pretiran pritisk poškoduje sklop elektrod, separator ali tesnilo vrečke.

Proizvajalec celic mora zagotoviti priporočene pogoje stiskanja ali pritrditve, kadar koli je to mogoče. Splošnega območja tlaka ne bi smeli uporabiti brez potrditve zasnove posamezne celice.

8. Zaščitite jezičke Pouch Cell

Jezički so med najbolj mehansko ranljivimi deli vrečke.

Ponavljajoče se tresenje, upogibne ali vlečne sile lahko poškodujejo koren jezička ali območje tesnila vrečke. To je še posebej pomembno pri električnih motociklih, mobilni opremi, pomorskih aplikacijah in industrijskih vozilih.

Dobra zasnova modula mora:

• Podprite jezičke blizu telesa celice

• Preprečite, da bi zbiralka obtežila jezičke

• Dovolite toplotno raztezanje

• Izogibajte se ponavljajočemu upogibanju med sestavljanjem

• Uporabite napeljave, da ohranite poravnavo zavihkov

• Zaščitite območje tesnila jezička pred ostrimi kovinskimi deli

• Zmanjšajte prenos vibracij iz ohišja

Tudi postopek varjenja ali povezovanja mora ustrezati materialu in debelini jezička. Aluminijasti in bakreni jezički lahko zahtevajo različne parametre varjenja in načine spajanja.

Pri projektih z velikim tokom je treba zasnovo zbiralke preveriti glede gostote toka, dviga temperature in mehanske obremenitve.

9. Uporabite veliko celično površino za toplotno upravljanje

Ena od prednosti formata vrečke je njegova velika ravna površina. To lahko naredi prenos toplote učinkovitejši, če je celica pravilno integrirana v modul.

Pri paketih za shranjevanje energije z nizko hitrostjo se lahko toplota odvaja skozi celične površine, okvir modula in ohišje baterije.

Za aplikacije z večjo močjo lahko zasnova zahteva:

• Toplotno prevodne blazinice

• Toplotno prevodno lepilo

• Aluminijasti razpršilci toplote

• Zračni kanali

• Prisilno zračno hlajenje

• Tekočinsko hlajene plošče

• Toplotne pregrade med celicami

Material toplotnega vmesnika mora zagotavljati dober stik brez pretirane kompresije.

Pomembna je tudi konstantnost temperature znotraj modula. Velika temperaturna razlika med celicami lahko povzroči neenakomerno odpornost, neenakomerno staranje in sčasoma poveča neravnovesje SOC.

Toplotna zasnova se mora zato osredotočiti ne le na najvišjo temperaturo, ampak tudi na temperaturno razliko v celotnem nizu celic.

10. Uporabite BMS, združljiv z natrijevimi ionskimi napetostnimi karakteristikami

Standardni LiFePO4 BMS se ne sme samodejno uporabljati za natrijev ionski akumulator.

V nekaterih primerih je mogoče obstoječo platformo BMS prilagoditi z nastavitvami programske opreme. V drugih primerih analogni sprednji del, vzorčno vezje ali zaščitne komponente morda ne podpirajo zahtevanega obsega napetosti.

BMS je treba preveriti glede:

• Območje merjenja napetosti celice

• Nastavitev zaščite pred preobremenitvijo

• Nastavitev zaščite pred prekomernim praznjenjem

• Pragi za obnovitev napetosti

• SOC algoritem

• Temperaturna zaščita

• Znižanje polnilnega toka

• Strategija uravnoteženja

• Največji tok paketa

• Zaščita pred kratkim stikom

• Komunikacijski protokol

Če ima natrijeva ionska celica nižjo izklopno napetost praznjenja kot LiFePO4, mora analogni sprednji del BMS še vedno natančno meriti pri tej nizki napetosti.

Polnilnik in krmilnik obremenitve morata prav tako ostati združljiva z nastalim napetostnim oknom paketa.

Ali je mogoče natrijeve ionske celice shraniti pri 0 V?

Nekatere kemije natrijevih ionov in zasnove celic lahko podpirajo shranjevanje in transport pri zelo nizki ali ničelni napetosti.

To lahko potencialno izboljša varnost in poenostavi nekatere logistične procese.

Vendar pa shranjevanje brez napetosti ni univerzalna značilnost vseh natrijevih ionskih celic. Izrecno mora biti potrjena s strani proizvajalca celice in podprta s podatki o validaciji.

Paket baterij se nikoli ne sme izprazniti na 0 V zgolj zato, ker uporablja kemijo natrijevih ionov.

11. Ponovno umerite algoritem SOC

Razmerje med napetostjo odprtega tokokroga in stanjem napolnjenosti je drugačno za vsako kemijo natrijevih ionov.

V primerjavi z LiFePO4 imajo nekatere natrijeve ionske celice bolj nagnjeno krivuljo napetosti, kar lahko zagotovi bolj uporabne informacije o SOC na podlagi napetosti. Kljub temu samo napetost običajno ne zadostuje za natančno oceno SOC pri spreminjajočih se obremenitvah in temperaturnih pogojih.

Zanesljiv natrijev-ionski BMS lahko združuje:

• Coulombovo štetje

• Popravek OCV

• Temperaturna kompenzacija

• Trenutna odškodnina

• Korekcija staranja celic

• Model SOC, specifičen za kemijo

Pravilno tabelo OCV-SOC je treba ustvariti iz izbrane celice z natrijevimi ioni in ne kopirati iz drugega modela.

Prav tako je treba oceniti obnašanje pri samopraznjenju. Če se v celici med dolgim ​​shranjevanjem opazi opazna sprememba napetosti, bo BMS morda potreboval občasno ponovno umerjanje po zadostnem času mirovanja.

12. Izberite pravo strategijo uravnoteženja

Konsistentnost celic ostaja pomembna pri vsakem serijsko povezanem baterijskem paketu.

Razlike v kapaciteti, SOC, notranjem uporu in samopraznjenju lahko postopoma povečajo napetostno vrzel med celicami.

Za manjše pakete natrijevih ionov lahko zadostuje pasivno uravnoteženje. Ustrezen izravnalni tok je odvisen od kapacitete paketa, konsistence celice in razpoložljivega časa uravnoteženja.

Pri sistemih za shranjevanje energije z večjo zmogljivostjo lahko nizek izravnalni tok traja predolgo, da popravi pomembno razliko SOC. Nato se lahko razmisli o aktivnem uravnoteženju.

Preden se zanese na BMS, mora dobavitelj celic izvesti ustrezno razvrščanje in ujemanje celic na podlagi dejavnikov, kot so:

• Zmogljivost

• Napetost odprtega tokokroga

• AC notranji upor

• DC notranji upor

• Stopnja samopraznjenja

• Obnovitev napetosti

• Proizvodna serija

Uravnoteženje mora popraviti majhne razlike med delovanjem. Ne sme se uporabljati za kompenzacijo slabo ujemajočih se celic.

13. Sestavite validacijski načrt, specifičen za projekt

Podatkovni list je le začetek projekta baterije.

Pred masovno proizvodnjo je treba prototipne pakete testirati v pogojih, ki so blizu dejanski uporabi.

Načrt validacije lahko vključuje:

• Testiranje zmogljivosti

• Razelektritev s stalnim tokom

• Testiranje vršnega toka

• Testiranje hitrega polnjenja

• Preskušanje dviga temperature

• Nizkotemperaturni izpust

• Nizkotemperaturno polnjenje

• Testiranje življenjske dobe

• Testiranje vibracij

• Mehanski šok

• Testiranje kompresije

• Zaščita pred preobremenitvijo

• Zaščita pred prekomernim praznjenjem

• Zaščita pred kratkim stikom

• Ocena toplotnega širjenja

• Dolgotrajno skladiščenje

Zahtevano certificiranje je odvisno od aplikacije in trga.

IEC 62619 je lahko pomemben za uporabo v industrijskih sekundarnih baterijah. GB 38031 velja za pogonske baterije, ki se uporabljajo v električnih vozilih na Kitajskem. Prevozna dokumentacija lahko vključuje tudi UN38.3, varnostni list in ustrezno oceno prevoza nevarnega blaga.

Veljavni standard je treba potrditi na podlagi končnega paketa baterij, trga in uporabe, ne pa izbrati samo glede na vrsto celice.

Kontrolni seznam projekta natrijevih ionskih vrečk

Preden potrdite natrijevo-ionsko vrečko, preglejte naslednja vprašanja:

Električne zahteve

• Kakšne so nazivne, največje in najmanjše sistemske napetosti?

• Kaj je trajni obratovalni tok?

• Kako visok je konični tok in kako dolgo traja?

• Kakšen je potreben čas polnjenja?

• Ali je vključeno regenerativno polnjenje?

Okoljske zahteve

• Kakšna je najnižja temperatura praznjenja?

• Kakšna je najnižja temperatura polnjenja?

• Ali bo torbica izpostavljena vibracijam, vlagi ali solnemu pršilu?

• Ali je potrebno aktivno ogrevanje ali hlajenje?

Zahteve za celice

• Katera kemija natrijevih ionov se uporablja?

• Kakšna je dejanska energijska gostota?

• Kakšne so mejne vrednosti napetosti polnjenja in praznjenja?

• Kakšne so vrednosti trajnega in impulznega toka?

• Ali so na voljo nizkotemperaturne krivulje?

• Kakšni pogoji stiskanja so priporočljivi?

Mehanske zahteve

• Je dovolj prostora za spreminjanje debeline?

• Ali so površine vrečke zaščitene?

• Ali so zavihki mehansko podprti?

• Ali je okvir modula dovolj tog?

• Ali se lahko toplota enakomerno prenaša iz vsake celice?

Zahteve BMS

• Ali AFE podpira celotno napetostno območje?

• Ali so zaščitni pragovi nastavljivi?

• Ali je model SOC razvit za izbrano natrijevo ionsko celico?

• Ali je vključena znižana moč polnjenja pri nizkih temperaturah?

• Ali je izravnalni tok primeren za zmogljivost paketa?

Je natrijeva-ionska vrečka primerna za vsak projekt?

Ni nujno.

Natrijeve ionske vrečke so lahko zelo konkurenčne tam, kjer so pomembne zmogljivost pri nizkih temperaturah, moč, varnost, razpoložljivost materiala ali prilagodljive dimenzije celic.

LiFePO4 je lahko še vedno bolj primeren, ko projekt zahteva zrelo dobavno verigo, široko dostopne polnilne sisteme, dokazane dolgoročne terenske podatke in vzpostavljeno certifikacijsko podporo.

NMC litij-ionska lahko ostane boljša izbira, ko sta najmanjša teža in največja energijska gostota največji prioriteti.

Odločitev bi morala temeljiti na celotnem baterijskem sistemu, ne zgolj na trženju kemije.

Tehnično ustrezna celica mora delovati z ohišjem, hladilnim sistemom, BMS, polnilnikom, krmilnikom, certifikacijskim načrtom in ciljnimi stroški.

Kako Misen podpira projekte natrijevih ionskih baterij

Misen sodeluje s strankami na več kot o dobavi posameznih celic.

Za projekte natrijevih ionskih vrečk za baterije lahko naša podpora vključuje:

• Izbira celic glede na napetost, kapaciteto in tokovne zahteve

• Primerjava natrijevih in litijevih baterij

• Izbira velikosti celice vrečke

• Ujemanje zmogljivosti in notranjega upora

• Zasnova serijske in vzporedne konfiguracije

• Priporočila za mehansko stiskanje

• Zasnova povezave jezička in zbiralke

• Načrtovanje toplotnega upravljanja

• Usklajevanje parametrov natrijevega ionskega BMS

• Razvoj prototipnega paketa baterij

• Podpora za testiranje celic in paketov

• Rešitve baterij OEM in ODM

Pri novih projektih z natrijevimi ioni priporočamo, da začnete z dejanskimi podatki o aplikaciji, namesto da izberete celico samo na podlagi zmogljivosti.

Delite zahtevano napetost, zmogljivost, trajni tok, konični tok, delovno temperaturo, razpoložljive dimenzije in pričakovano količino naročila. Naša ekipa inženirjev vam lahko pomaga oceniti, ali je natrijeva ionska vrečka tehnično in komercialno primerna za vaš paket baterij.

Iščete vrečko z natrijevimi ioni ali rešitev natrijevih ionskih baterij po meri? Kontaktirajte Misen, da se pogovorite o svojih projektnih zahtevah.