Како одабрати ћелије натријум-јонске врећице и дизајнирати поуздану батерију

Натријум-јонске батерије привлаче све веће интересовање за складиштење енергије, електричне двоточкаше, индустријску опрему и апликације за лаку мобилност. Њихова привлачност није заснована на једној предности. У зависности од хемије ћелије, натријум-јонска технологија може да понуди добре перформансе пражњења на ниским температурама, снажну способност напајања, побољшану доступност сировина и потенцијално стабилнију структуру трошкова.

У исто време, паковање у торбици даје дизајнерима батерија већу слободу у погледу димензија ћелија, дебљине паковања и термичког распореда. Натријум-јонска кеса ћелија стога може бити атрактивна опција за пројекте којима је потребан лаган, прилагодљив формат батерије, а не стандардна цилиндрична или призматична ћелија.

Међутим, одабир натријум-јонске ћелије у врећици није само питање замене постојеће ЛиФеПО4 ћелије са натријум-јонским моделом сличног капацитета. Крива напона, опсег употребљивог напона, густина енергије, границе пуњења, БМС подешавања и механичка структура могу бити различити.

Овај водич објашњава главне факторе које треба проценити пре него што започнете пројекат натријум-јонске кесе батерије.

Зашто ћелије натријум-јонске врећице добијају више пажње

Натријум-јонска технологија се често разматра као алтернатива литијум-јонским батеријама, али у практичним пројектима је тачније посматрати је као другу хемију батерија са сопственим снагама и ограничењима.

То може бити посебно интересантно за апликације које дају приоритет:

• Рад у хладним срединама

• Велика излазна снага

• Могућност брзог пуњења

• Доступност материјала и дугорочна контрола трошкова

• Побољшана безбедност транспорта и складиштења

• Прилагођене димензије ћелије

• Стационарне или лаке покретне апликације где максимална густина енергије није једини приоритет

Ћелије врећице дају још један слој флексибилности. Пошто је ћелија затворена у алуминијумски ламинирани филм, а не у чврсту челичну или алуминијумску лименку, може се производити у ширем распону дебљина, ширина и дужина.

Ово чини ћелије натријум-јонске врећице релевантним за прилагођене пакете батерија где је расположиви простор неправилан или где је потребно пажљиво контролисати расподелу тежине и расипање топлоте.

1. Прво схватите натријум-јонску хемију ћелије

Не користе све натријум-јонске ћелије исте материјале катоде и аноде. Њихова платформа напона, животни век, перформансе на ниским температурама и густина енергије могу значајно да варирају.

Уобичајени натријум-јонски катодни системи укључују:

• Слојевити оксидни материјали

• Пруски плави или пруски бели материјали

• Полианионски материјали

Слојевите оксидне ћелије се често разматрају када пројекат захтева релативно високу густину енергије и јаке перформансе снаге.

Пруски плави и пруски бели системи могу понудити предности у погледу цене, способности брзине и рада на ниским температурама, иако њихове перформансе у великој мери зависе од квалитета материјала и контроле производње.

Полианионски системи могу бити одабрани за пројекте који стављају већи нагласак на структурну стабилност, сигурност и дуг животни век.

Из тог разлога, купци не би требало да процењују натријум-јонску ћелију само на основу номиналног капацитета. Систем материјала и комплетне податке теста такође треба прегледати.

2. Проверите напонску платформу и радни прозор

Једно од првих питања у пројекту натријум-јонске батерије је да ли је напон система компатибилан са предвиђеном опремом.

Многе натријум-јонске ћелије имају номинални напон од приближно 3,0 В до 3,2 В, али стварна вредност зависи од хемије и произвођача.

Опсег радног напона такође може бити шири од оног код ЛиФеПО4. Неке натријум-јонске ћелије могу радити од око 1,5 В или 2,0 В на доњем крају до приближно 4,0 В или 4,1 В при пуном пуњењу.

Ове вредности се не смеју третирати као универзалне поставке. Тачан гранични напон пуњења, напон прекида пражњења и препоручени радни прозор морају увек произаћи из спецификације ћелије.

Широк опсег напона утиче на неколико области дизајна батеријског пакета:

• Број ћелија повезаних у серију

• Максимални и минимални напон батерије

• Излазни напон пуњача

• БМС опсег за праћење напона

• Компатибилност инвертера или мотор-контролера

• СОЦ процена

• Подешавања нисконапонске заштите

На пример, замена 16С ЛиФеПО4 паковања са 16С натријум-јонским пакетом можда неће произвести исти номинални, потпуно напуњен или потпуно испражњен напон пакета. Исправну конфигурацију серије стога треба израчунати из прихватљивог опсега улаза опреме, а не копирати из постојећег дизајна литијумске батерије.

3. Реално процените капацитет и густину енергије

Тренутне натријум-јонске ћелије генерално имају нижу гравиметријску густину енергије од високоенергетских НМЦ литијум-јонских ћелија. Они такође могу остати испод зрелих решења ЛиФеПО4 у неким комерцијалним форматима.

Практични опсег густине енергије за ћелије натријум-јона може пасти око 100 до 160 Вх/кг, у зависности од хемије, дизајна ћелије и фазе производње.

Високоенергетски слојевити оксидни системи могу се размотрити за лака електрична возила или друге апликације где су тежина и запремина паковања важни.

За стационарно складиштење, резервно напајање или опрему мале брзине, густина енергије може бити мање критична од животног циклуса, перформанси на ниским температурама, безбедности и цене.

Када упоређујете ћелије, немојте се ослањати само на капацитет одштампан на етикети. Преглед:

• Номинална енергија у ват-сатима

• Тежина ћелије

• Димензије ћелије

• Волуметријска густина енергије

• Гравиметријска густина енергије

• Употребљиви капацитет унутар препорученог опсега напона

• Задржавање капацитета при предвиђеној брзини пражњења

• Задржавање капацитета на ниској температури

Ћелија са већим називним капацитетом не мора нужно да обезбеди више употребљиве енергије у условима јаке струје или хладног времена.

4. Ускладите брзину пражњења са стварним оптерећењем

Ћелије са натријум-јоном могу да понуде добру јонску проводљивост и перформансе снаге, али способност брзине и даље увелико варира између модела.

Неке натријум-јонске ћелије су дизајниране за складиштење енергије и могу подржавати умерену континуирану струју. Други су оптимизовани за апликације напајања и могу да подрже знатно веће брзине пуњења и пражњења.

Дизајнер батерија треба да одреди:

• Нормална континуирана струја

• Вршна струја

• Трајање вршне струје

• Учесталост вршних оптерећења

• Регенеративна струја пуњења

• Максимална струја пуњача

• Најнижа очекивана радна температура

За електрични двоточкаш, батерија може доживети кратке врхове убрзања далеко изнад просечне струје вожње. За систем за складиштење енергије, оптерећење може бити стабилније, али може трајати неколико сати.

Континуално пражњење ћелије треба да буде изабрано на основу трајног оптерећења, док пулс мора да одговара и вршној струји и њеном трајању.

Такође је важно проверити унутрашњи отпор ћелије ДЦ. Ћелија може технички подржавати велику струју, али и даље производи прекомерну топлоту ако је њен отпор превелик.

Производња топлоте расте приближно са квадратом струје:

Губитак топлоте ≈ струја² × унутрашњи отпор

Због тога удвостручавање струје може изазвати много веће повећање загревања ћелија.

За натријум-јонске кесице батерија, конзистентност унутрашњег отпора је једнако важна као и конзистентност капацитета.

5. Проверите перформансе на ниским температурама помоћу тестних кривуља

Перформансе на ниским температурама једна су од предности натријум-јонских батерија о којима се најчешће говори.

Неке формулације натријум јона могу задржати високу пропорцију свог капацитета на собној температури на -20°Ц, а одређене специјално дизајниране ћелије могу наставити да се празне на још нижим температурама.

Међутим, купци би требало да избегавају претпоставку да свака ћелија натријум јона ради добро на -20°Ц или -40°Ц.

Питајте добављача за стварне податке теста, укључујући:

• Криве пражњења на 25°Ц, 0°Ц, -10°Ц и -20°Ц

• Пробна брзина пражњења

• Температура пуњења пре теста

• Напонска платформа под нискотемпературним оптерећењем

• Задржавање капацитета

• Повећање унутрашњег отпора

• Максимална дозвољена нискотемпературна струја пуњења

Крива напона је посебно важна. Ћелија може да испоручи висок проценат свог номиналног капацитета на -20°Ц, али доживе велики почетни пад напона под оптерећењем. Ово може довести до тога да БМС или контролер опреме прерано активирају нисконапонску заштиту.

Пакет батерија стога треба проценити као комплетан систем, а не само на основу процента капацитета ћелије на ниским температурама.

6. Немојте претпостављати да нискотемпературно пражњење значи неограничено пуњење

Натријум-јонска ћелија која може да се празни на -20°Ц не мора нужно да подржава нормално пуњење при истој температури.

Струја пуњења при ниској температури треба да прати температурно зависну криву смањења снаге коју је одредио произвођач ћелије.

Типична стратегија контроле може укључивати:

• Нормално пуњење на умереним температурама

• Смањена струја пуњења испод дефинисане температуре

• Пуњење са веома малом струјом на екстремно ниским температурама

• Потпуна забрана пуњења испод минималног ограничења произвођача

Тачни прагови зависе од хемије ћелије.

БМС би требало да користи температурне сензоре постављене близу ћелија, посебно у близини подручја која ће вероватно бити хладнија од остатка пакета. За већа паковања, један сензор температуре обично није довољан.

7. Дизајнирајте механичку компресију за ћелије врећице

За разлику од цилиндричних ћелија или призматичних ћелија са алуминијумским кућиштем, ћелије врећице немају чврсту спољашњу шкољку.

Алуминијум-ламинирана фолија је лагана и просторно ефикасна, али захтева одговарајућу механичку заштиту.

Током циклуса, ћелије врећице могу доживети постепену промену дебљине. Ненормални услови као што су прекомерно пуњење, прегревање или унутрашња деградација такође могу произвести гас и изазвати отицање.

Стога поуздана структура паковања треба да укључује:

• Чврсте завршне плоче

• Контролисана компресија

• Еластични јастучни материјал

• Одвајање ћелија и изолација

• Заштита од оштрих ивица

• Простор за очекивану варијацију дебљине ћелије

• Стабилан оквир модула

ПУ пена, силиконска пена или други материјали за компресију могу се уградити између ћелија или између наслага ћелија и завршних плоча.

Тачан притисак компресије је специфичан за ћелију. Примена премалог притиска може дозволити прекомерно кретање и отицање, док превелики притисак може оштетити сноп електрода, сепаратор или заптивку врећице.

Произвођач ћелије треба да обезбеди препоручене услове компресије или учвршћења кад год је то могуће. Општи опсег притиска не треба примењивати без потврде индивидуалног дизајна ћелије.

8. Заштитите језичке ћелије врећице

Картице су међу механички најрањивијим деловима ћелије врећице.

Понављане вибрације, силе савијања или повлачења могу оштетити корен језичка или подручје заптивке кесице. Ово је посебно важно код електричних мотоцикала, мобилне опреме, поморских апликација и индустријских возила.

Добар дизајн модула треба да:

• Подржите језичке близу тела ћелије

• Спречите да сабирница ставља тежину на језичке

• Дозволите топлотну експанзију

• Избегавајте поновљено савијање током монтаже

• Користите прибор за одржавање поравнања картица

• Заштитите подручје заптивке језичка од оштрих металних компоненти

• Смањите пренос вибрација из кућишта

Процес заваривања или спајања такође мора одговарати материјалу и дебљини језичка. Алуминијумски и бакарни језичци могу захтевати различите параметре заваривања и методе спајања.

За пројекте са јаком струјом, дизајн сабирница треба проверити за густину струје, пораст температуре и механичко напрезање.

9. Користите велику површину ћелије за управљање топлотом

Једна од предности формата торбице је његова велика равна површина. Ово може учинити пренос топлоте ефикаснијим када је ћелија правилно интегрисана у модул.

За пакете за складиштење енергије ниске брзине, топлота се може уклонити кроз површине ћелија, оквир модула и кућиште батерије.

За апликације веће снаге, дизајн може захтевати:

• Термички проводљиви јастучићи

• Топлотно проводљиви лепак

• Алуминијумски распршивачи топлоте

• Ваздушни канали

• Принудно хлађење ваздуха

• Плоче хлађене течношћу

• Термичке баријере између ћелија

Материјал термичког интерфејса треба да обезбеди добар контакт без стварања превелике компресије.

Конзистентност температуре унутар модула је такође важна. Велика температурна разлика између ћелија може довести до неуједначеног отпора, неуједначеног старења и повећања неравнотеже СОЦ током времена.

Термички дизајн би стога требало да се фокусира не само на максималну температуру, већ и на температурну разлику у целој целији.

10. Користите БМС компатибилан са натријум-јонским карактеристикама напона

Стандардни ЛиФеПО4 БМС не би требало аутоматски да се користи за натријум-јонске батерије.

У неким случајевима, постојећа БМС платформа се може прилагодити софтверским подешавањима. У другим случајевима, аналогни предњи крај, коло за узорковање или заштитне компоненте можда неће подржавати захтевани опсег напона.

БМС треба проверити на:

• Опсег мерења напона ћелије

• Поставка заштите од прекомерног пуњења

• Поставка заштите од прекомерног пражњења

• Прагови опоравка напона

• СОЦ алгоритам

• Температурна заштита

• Смањење снаге струје пуњења

• Стратегија балансирања

• Максимална струја паковања

• Заштита од кратког споја

• Комуникациони протокол

Ако натријум-јонска ћелија има нижи гранични напон пражњења од ЛиФеПО4, аналогни предњи крај БМС и даље мора тачно да мери на том ниском напону.

Пуњач и контролер оптерећења такође морају остати компатибилни са резултујућим прозором напона пакета.

Могу ли се натријум-јонске ћелије чувати на 0В?

Неке хемије натријум-јона и дизајн ћелија могу подржавати складиштење и транспорт на веома ниском или нултом напону.

Ово потенцијално може побољшати сигурност и поједноставити одређене логистичке процесе.

Међутим, складиштење нултог напона није универзална карактеристика свих натријум-јонских ћелија. То мора бити експлицитно потврђено од стране произвођача ћелије и подржано подацима о валидацији.

Батерија никада не би требало да се празни на 0В само зато што користи хемију натријум јона.

11. Поново калибрирајте СОЦ алгоритам

Однос између напона отвореног кола и стања напуњености је различит за сваку хемију натријум јона.

У поређењу са ЛиФеПО4, неке натријум-јонске ћелије имају нагнутију криву напона, што може пружити корисније СОЦ информације засноване на напону. Чак и тако, сам напон је обично недовољан за тачну процену СОЦ-а под променљивим условима оптерећења и температуре.

Поуздан натријум-јонски БМС може комбиновати:

• Цоуломб цоунтинг

• ОЦВ корекција

• Компензација температуре

• Тренутна компензација

• Корекција старења ћелија

• СОЦ модел специфичан за хемију

Исправну табелу ОЦВ-СОЦ треба креирати из изабране ћелије натријум јона, а не копирати из другог модела.

Понашање самопражњења такође треба проценити. Ако ћелија доживи приметну промену напона током дугог складиштења, БМС ће можда требати периодично рекалибрацију након довољног времена одмора.

12. Изаберите праву стратегију балансирања

Конзистентност ћелије остаје важна у сваком серијски повезаном батеријском пакету.

Разлике у капацитету, СОЦ-у, унутрашњем отпору и самопражњењу могу постепено повећати напонски јаз између ћелија.

За мања паковања натријум јона, пасивно балансирање може бити довољно. Одговарајућа струја балансирања зависи од капацитета паковања, конзистенције ћелије и расположивог времена балансирања.

За системе за складиштење енергије већег капацитета, ниска балансна струја може потрајати предуго да исправи значајну разлику у СОЦ-у. Тада се може размотрити активно балансирање.

Пре него што се ослони на БМС, добављач ћелија треба да изврши правилно оцењивање ћелија и упаривање на основу фактора као што су:

• Капацитет

• Напон отвореног кола

• Унутрашњи отпор наизменичне струје

• ДЦ унутрашњи отпор

• Стопа самопражњења

• Опоравак напона

• Производна серија

Балансирање треба да исправи мале разлике током рада. Не треба га користити за компензацију ћелија које се лоше подударају.

13. Направите план валидације за специфичан пројекат

Таблица са подацима је само почетак пројекта батерије.

Пре масовне производње, прототипне пакете треба тестирати у условима блиским стварној примени.

План валидације може укључивати:

• Тестирање капацитета

• Непрекидно пражњење

• Тестирање вршне струје

• Тестирање брзог пуњења

• Испитивање пораста температуре

• Нискотемпературно пражњење

• Пуњење при ниским температурама

• Испитивање животног циклуса

• Испитивање вибрација

• Механички удар

• Испитивање компресије

• Заштита од прекомерног пуњења

• Заштита од прекомерног пражњења

• Заштита од кратког споја

• Процена топлотног ширења

• Дуготрајно складиштење

Потребна сертификација зависи од примене и тржишта.

ИЕЦ 62619 може бити релевантан за индустријске секундарне батерије. ГБ 38031 се односи на вучне батерије које се користе у електричним возилима у Кини. Транспортна документација такође може укључивати УН38.3, МСДС и одговарајућу процену транспорта опасне робе.

Применљиви стандард треба да буде потврђен на основу коначног пакета батерија, тржишта и примене, а не изабран само према типу ћелије.

Контролна листа пројекта за натријум-јонске ћелије

Пре него што потврдите натријум-јонску ћелију, прегледајте следећа питања:

Електрични захтеви

• Који су називни, максимални и минимални напони система?

• Колика је стална радна струја?

• Колико је висока вршна струја и колико дуго траје?

• Које је потребно време пуњења?

• Да ли је укључено регенеративно пуњење?

Енвиронментал Рекуирементс

• Која је најнижа температура пражњења?

• Која је најнижа температура пуњења?

• Да ли ће паковање бити изложено вибрацијама, влази или сланом спреју?

• Да ли је потребно активно грејање или хлађење?

Захтеви за ћелије

• Која се натријум-јонска хемија користи?

• Колика је стварна густина енергије?

• Које су границе напона пуњења и пражњења?

• Које су вредности континуалне и импулсне струје?

• Да ли су доступне криве ниске температуре?

• Који услови компресије се препоручују?

Механички захтеви

• Има ли довољно простора за варијацију дебљине?

• Да ли су површине торбица заштићене?

• Да ли су језичци механички подржани?

• Да ли је оквир модула довољно чврст?

• Може ли се топлота равномерно преносити из сваке ћелије?

БМС Рекуирементс

• Да ли АФЕ подржава пун опсег напона?

• Да ли су заштитни прагови подесиви?

• Да ли је СОЦ модел развијен за изабрану натријум-јонску ћелију?

• Да ли је укључено смањење капацитета пуњења при ниским температурама?

• Да ли је струја балансирања одговарајућа за капацитет пакета?

Да ли је натријум-јонска кеса ћелија права за сваки пројекат?

Не обавезно.

Натријум-јонске кесице ћелије могу бити веома конкурентне тамо где су важне перформансе на ниским температурама, способност напајања, безбедност, доступност материјала или флексибилне димензије ћелије.

ЛиФеПО4 и даље може бити прикладнији када пројекат захтева зрео ланац снабдевања, широко доступне системе пуњења, доказане дугорочне податке на терену и успостављену подршку за сертификацију.

НМЦ литијум-јонски може остати бољи избор када су минимална тежина и максимална густина енергије највећи приоритет.

Одлука би требало да се заснива на комплетном систему батерија, а не само на маркетингу хемије.

Технички одговарајућа ћелија мора да ради са кућиштем, системом за хлађење, БМС-ом, пуњачем, контролером, планом сертификације и циљаним трошковима.

Како Мисен подржава пројекте натријум-јонских батерија

Мисен ради са купцима на више од индивидуалног снабдевања ћелијама.

За пројекте натријум-јонских батерија, наша подршка може укључивати:

• Избор ћелије према захтевима напона, капацитета и струје

• Поређење натријум-јонске и литијумске батерије

• Избор димензија ћелије врећице

• Усклађивање капацитета и унутрашњег отпора

• Дизајн серије и паралелне конфигурације

• Препоруке за механичку компресију

• Дизајн повезивања језичака и сабирница

• Планирање термичког управљања

• Координација БМС параметара натријум-јона

• Развој прототипа батерије

• Подршка за тестирање ћелија и паковања

• ОЕМ и ОДМ решења за батерије

За нове пројекте натријум јона препоручујемо да почнете са стварним подацима о апликацији уместо да бирате ћелију само из капацитета.

Поделите потребни напон, капацитет, континуирану струју, вршну струју, радну температуру, доступне димензије и очекивану количину поруџбине. Наш инжењерски тим може помоћи у процени да ли је натријум-јонска кеса ћелија технички и комерцијално прикладна за вашу батерију.

Тражите натријум-јонску ћелију или прилагођено решење за натријум-јонске батерије? Контактирајте Мисен да разговарате о захтевима вашег пројекта.