Як вибрати натрій-іонні пакети та створити надійний акумулятор

Натрієво-іонні батареї викликають зростаючий інтерес до накопичувачів енергії, електричних двоколісних транспортних засобів, промислового обладнання та застосувань легкої мобільності. Їх привабливість не базується на одній перевагі. Залежно від хімічного складу клітини, натрієво-іонна технологія може запропонувати хорошу продуктивність розряду при низьких температурах, потужну потужність, покращену доступність сировини та потенційно більш стабільну структуру витрат.

У той же час пакетна упаковка дає розробникам батарей більше свободи щодо розмірів осередків, товщини упаковки та теплового розташування. Таким чином, натрієво-іонна батарея може бути привабливим варіантом для проектів, яким потрібен легкий настроюваний формат батареї, а не стандартний циліндричний або призматичний елемент.

Однак вибір натрієво-іонної камери — це не просто заміна наявної LiFePO4 на натрієво-іонну модель подібної ємності. Крива напруги, діапазон корисної напруги, щільність енергії, обмеження заряду, налаштування BMS і механічна структура можуть відрізнятися.

У цьому посібнику пояснюється основні фактори, які слід оцінити перед початком проекту пакетної натрій-іонної батареї.

Чому натрій-іонні мішечні клітини отримують більше уваги

Натрій-іонну технологію часто обговорюють як альтернативу літій-іонним батареям, але в практичних проектах точніше розглядати її як іншу хімічну батарею зі своїми сильними сторонами та обмеженнями.

Це може бути особливо цікаво для програм, які мають пріоритет:

• Експлуатація в холодних умовах

• Висока вихідна потужність

• Можливість швидкої зарядки

• Доступність матеріалів і довгостроковий контроль витрат

• Підвищена безпека транспортування та зберігання

• Нестандартні розміри комірки

• Стаціонарні або легкомобільні програми, де максимальна щільність енергії не є єдиним пріоритетом

Пакетні комірки додають ще один рівень гнучкості. Оскільки клітина укладена в ламіновану алюмінієву плівку, а не в жорстку сталеву або алюмінієву банку, її можна виготовляти в більш широкому діапазоні товщини, ширини та довжини.

Це робить натрієво-іонні мішечні елементи доречними для нестандартних батарейних блоків, де доступний простір нерегулярний або де потрібно ретельно контролювати розподіл ваги та розсіювання тепла.

1. Спочатку зрозумійте хімію натрій-іонної клітини

Не всі натрієво-іонні елементи використовують однакові матеріали катода та анода. Платформа напруги, життєвий цикл, низькотемпературна продуктивність і щільність енергії можуть значно відрізнятися.

Загальні натрієво-іонні катодні системи включають:

• Шаруваті оксидні матеріали

• Берлінська блакитна або Берлінська біла матеріали

• Поліаніонні матеріали

Багатошарові оксидні комірки часто розглядаються, коли проект вимагає відносно високої щільності енергії та високої потужності.

Системи берлінського блакитного та берлінського білого можуть запропонувати переваги у вартості, продуктивності та експлуатації при низьких температурах, хоча їх продуктивність значною мірою залежить від якості матеріалу та контролю виробництва.

Поліаніонні системи можуть бути обрані для проектів, які приділяють більшу увагу структурній стабільності, безпеці та тривалому терміну служби.

З цієї причини покупцям не слід оцінювати натрій-іонну камеру лише за номінальною ємністю. Необхідно також переглянути систему матеріалів і повні дані випробувань.

2. Перевірте платформу напруги та робоче вікно

Одне з перших питань у проекті іонно-натрієвої батареї полягає в тому, чи сумісна напруга системи з передбачуваним обладнанням.

Багато натрій-іонних елементів мають номінальну напругу приблизно від 3,0 В до 3,2 В, але фактичне значення залежить від хімічного складу та виробника.

Діапазон робочих напруг також може бути ширшим, ніж у LiFePO4. Деякі натрієво-іонні елементи можуть працювати від приблизно 1,5 або 2,0 В на нижньому рівні до приблизно 4,0 або 4,1 В при повному заряді.

Ці значення не можна розглядати як універсальні налаштування. Правильна гранична напруга заряду, гранична напруга розряду та рекомендоване робоче вікно завжди повинні виходити зі специфікації елемента.

Широкий діапазон напруг впливає на кілька областей конструкції акумуляторної батареї:

• Кількість комірок, з'єднаних послідовно

• Максимальна та мінімальна напруга акумуляторної батареї

• Вихідна напруга зарядного пристрою

• Діапазон контролю напруги BMS

• Сумісність з інвертором або контролером двигуна

• Оцінка SOC

• Установки захисту від низької напруги

Наприклад, заміна акумулятора 16S LiFePO4 пакетом іонів натрію 16S може не давати такої самої номінальної, повністю зарядженої або повністю розрядженої напруги акумулятора. Тому правильну конфігурацію серії слід розраховувати на основі прийнятного вхідного діапазону обладнання, а не копіювати з існуючої конструкції літієвої батареї.

3. Реалістично оцінюйте ємність і щільність енергії

Сучасні натрій-іонні елементи зазвичай мають нижчу гравіметричну щільність енергії, ніж високоенергетичні літій-іонні елементи NMC. Вони також можуть залишатися нижче зрілих розчинів LiFePO4 у деяких комерційних форматах.

Практичний діапазон щільності енергії для натрій-іонних мішок може коливатися від 100 до 160 Вт-год/кг, залежно від хімічного складу, конструкції елемента та етапу виробництва.

Багатошарові оксидні системи з більшою енергією можна розглядати для легких електромобілів або інших застосувань, де вага та об’єм упаковки важливі.

Для стаціонарного зберігання, резервного джерела живлення або низькошвидкісного обладнання щільність енергії може бути менш критичною, ніж циклічний термін служби, продуктивність при низьких температурах, безпека та вартість.

Порівнюючи комірки, не покладайтеся лише на ємність, надруковану на етикетці. огляд:

• Номінальна енергія у ват-годинах

• Маса клітини

• Розміри комірки

• Об'ємна щільність енергії

• Гравіметрична щільність енергії

• Корисна ємність у рекомендованому діапазоні напруги

• Збереження ємності при призначеній швидкості розряду

• Збереження ємності при низькій температурі

Комірка з вищою номінальною потужністю не обов’язково може забезпечувати більше корисної енергії в умовах сильного струму або холодної погоди.

4. Зіставте швидкість розряду з реальним навантаженням

Натрієво-іонні елементи можуть забезпечувати хорошу іонну провідність і потужність, але здатність до швидкості все ще сильно відрізняється від моделі.

Деякі натрій-іонні мішечні елементи призначені для накопичення енергії та можуть підтримувати помірний безперервний струм. Інші оптимізовані для енергетичних програм і можуть підтримувати значно вищі швидкості заряджання та розряджання.

Розробник батареї повинен визначити:

• Нормальний безперервний струм

• Піковий струм

• Тривалість пікового струму

• Періодичність пікових навантажень

• Регенеративний зарядний струм

• Максимальний струм зарядного пристрою

• Найнижча очікувана робоча температура

Для електричного двоколісного акумулятора можуть спостерігатися короткі піки прискорення, що значно перевищують середній струм їзди. Для системи зберігання енергії навантаження може бути більш стабільним, але може тривати кілька годин.

Потужність безперервного розряду елемента слід вибирати на основі постійного навантаження, тоді як номінальна потужність імпульсу має відповідати як піковому струму, так і його тривалості.

Також важливо перевірити внутрішній опір елемента постійному струму. Елемент може технічно підтримувати високий струм, але все одно виробляти надмірне тепло, якщо його опір занадто високий.

Тепловиділення зростає приблизно з квадратом сили струму:

Втрата тепла ≈ струм² × внутрішній опір

Ось чому подвоєння струму може спричинити набагато більше збільшення нагрівання клітини.

Для високошвидкісних натрій-іонних пакетів батарей постійний внутрішній опір так само важливий, як і постійна ємність.

5. Перевірте продуктивність при низьких температурах за допомогою тестових кривих

Низькотемпературні характеристики є однією з найбільш часто обговорюваних переваг натрій-іонних акумуляторів.

Деякі склади іонів натрію можуть зберігати значну частину своєї ємності при кімнатній температурі при -20°C, а деякі спеціально розроблені елементи можуть продовжувати розряджатися навіть при нижчих температурах.

Однак покупцям слід уникати припущень, що кожна натрієво-іонна комірка добре працює при -20°C або -40°C.

Попросіть у постачальника фактичні дані тестування, зокрема:

• Криві розряду при 25°C, 0°C, -10°C і -20°C

• Випробувальна швидкість розряду

• Температура заряду перед тестом

• Платформа напруги при низькотемпературному навантаженні

• Збереження ємності

• Підвищення внутрішнього опору

• Максимально допустимий струм низькотемпературного заряду

Особливо важлива крива напруги. Елемент може забезпечувати високий відсоток своєї номінальної ємності при -20°C, але відчувати велике початкове падіння напруги під навантаженням. Це може призвести до того, що BMS або контролер обладнання передчасно активує захист від низької напруги.

Таким чином, акумуляторну батарею слід оцінювати як повну систему, а не базуватися лише на відсотках низькотемпературної ємності елемента.

6. Не припускайте, що низькотемпературний розряд означає необмежену зарядку

Натрієво-іонний елемент, який може розряджатися при -20°C, не обов’язково підтримує нормальне заряджання за тієї самої температури.

Низькотемпературний зарядний струм повинен відповідати температурно-залежній кривій зниження, визначеній виробником елемента.

Типова стратегія контролю може включати:

• Нормальна зарядка при помірних температурах

• Знижений зарядний струм нижче визначеної температури

• Дуже низький струм зарядки при надзвичайно низьких температурах

• Повна заборона зарядки нижче мінімального ліміту виробника

Точні пороги залежать від хімічного складу клітини.

BMS має використовувати датчики температури, розташовані поблизу камер, особливо поблизу місць, де ймовірно буде холодніше, ніж решта зграї. Для великих упаковок одного датчика температури зазвичай недостатньо.

7. Розробка механічного стиснення для мішечних клітин

На відміну від циліндричних комірок або призматичних комірок в алюмінієвому корпусі, комірок в пакеті не має жорсткої зовнішньої оболонки.

Ламінована алюмінієм плівка є легкою та компактною, але вона потребує належного механічного захисту.

Під час циклу клітини мішка можуть поступово змінювати товщину. Аномальні умови, такі як перезаряд, перегрів або внутрішня деградація, також можуть утворювати газ і спричиняти набряк.

Таким чином, надійна структура упаковки повинна включати:

• Жорсткі торцеві пластини

• Контрольоване стиснення

• Еластичний амортизуючий матеріал

• Розділення та ізоляція клітин

• Захист від гострих країв

• Простір для очікуваної варіації товщини комірок

• Стійкий каркас модуля

ПУ піна, силіконова піна або інші компресійні матеріали можуть бути встановлені між осередками або між пакетом осередків і кінцевими пластинами.

Правильний тиск стиснення залежить від клітини. Застосування занадто малого тиску може призвести до надмірного руху та розбухання, тоді як надмірний тиск може пошкодити стопку електродів, сепаратор або ущільнення пакета.

Виробник клітини повинен забезпечити рекомендовані умови стиснення або кріплення, коли це можливо. Загальний діапазон тиску не слід застосовувати без підтвердження індивідуальної конструкції комірки.

8. Захистіть вкладки мішечків

Язички є одними з найбільш механічно вразливих частин мішечка.

Повторна вібрація, зусилля згинання або витягування можуть пошкодити корінь язичка або зону ущільнення пакета. Це особливо важливо для електричних мотоциклів, мобільного обладнання, морського застосування та промислових транспортних засобів.

Гарний дизайн модуля повинен:

• Підтримуйте виступи близько до корпусу клітини

• Уникайте навантаження шини на виступи

• Враховуйте теплове розширення

• Уникайте повторного згинання під час складання

• Використовуйте пристосування для підтримки вирівнювання вкладок

• Захистіть область ущільнення вкладки від гострих металевих частин

• Зменшити передачу вібрації від корпусу

Процес зварювання або з’єднання також має відповідати матеріалу та товщині вкладки. Для алюмінієвих і мідних вкладок можуть знадобитися різні параметри зварювання та методи з’єднання.

Для проектів із сильним струмом конструкцію збірної шини слід перевіряти на щільність струму, підвищення температури та механічну напругу.

9. Використовуйте велику поверхню клітини для керування температурою

Однією з переваг формату пакета є його велика плоска поверхня. Це може зробити передачу тепла більш ефективною, якщо комірку належним чином інтегровано в модуль.

Для низькошвидкісних накопичувачів енергії тепло може відводитися через поверхні комірок, каркас модуля та корпус батареї.

Для програм з більшою потужністю проект може вимагати:

• Теплопровідні прокладки

• Теплопровідний клей

• Алюмінієві теплорозподільники

• Повітряні канали

• Примусове повітряне охолодження

• Пластини з рідинним охолодженням

• Теплові бар'єри між клітинами

Матеріал термоінтерфейсу повинен забезпечувати хороший контакт без створення надмірного стиснення.

Постійність температури всередині модуля також важлива. Велика різниця температур між клітинами може призвести до нерівномірного опору, нерівномірного старіння та збільшення дисбалансу SOC з часом.

Таким чином, тепловий проект повинен зосереджуватися не лише на максимальній температурі, але й на різниці температур у всьому стеку клітин.

10. Використовуйте BMS, сумісний із характеристиками напруги іонів натрію

Стандартний LiFePO4 BMS не слід автоматично використовувати для натрієво-іонного акумулятора.

У деяких випадках існуючу платформу BMS можна адаптувати за допомогою налаштувань програмного забезпечення. В інших випадках аналоговий передній кінець, схема вибірки або компоненти захисту можуть не підтримувати необхідний діапазон напруги.

BMS слід перевірити на:

• Діапазон вимірювання напруги елемента

• Налаштування захисту від перезаряду

• Налаштування захисту від перерозряду

• Пороги відновлення напруги

• Алгоритм SOC

• Температурний захист

• Зниження зарядного струму

• Стратегія балансування

• Максимальний струм пакета

• Захист від короткого замикання

• Протокол зв'язку

Якщо натрієво-іонний елемент має нижчу граничну напругу розряду, ніж LiFePO4, аналоговий передній кінець BMS все одно повинен точно вимірювати при цій низькій напрузі.

Зарядний пристрій і контролер навантаження також повинні залишатися сумісними з кінцевим вікном напруги пакета.

Чи можна зберігати натрій-іонні елементи при 0 В?

Деякі хімічні сполуки іонів натрію та конструкції елементів можуть підтримувати зберігання та транспортування при дуже низькій або нульовій напрузі.

Це потенційно може підвищити безпеку та спростити певні логістичні процеси.

Однак зберігання при нульовій напрузі не є універсальною характеристикою всіх натрій-іонних елементів. Це має бути чітко підтверджено виробником клітини та підтверджено даними перевірки.

Акумуляторну батарею ніколи не можна розряджати до 0 В просто тому, що в ній використовується хімія іонів натрію.

11. Перекалібруйте алгоритм SOC

Зв’язок між напругою холостого ходу та станом заряду різний для кожної хімії іонів натрію.

Порівняно з LiFePO4, деякі натрієво-іонні елементи мають більш похилу криву напруги, що може надати більш корисну інформацію про SOC на основі напруги. Незважаючи на це, однієї лише напруги зазвичай недостатньо для точної оцінки SOC за мінливих умов навантаження та температури.

Надійний натрій-іонний BMS може поєднувати:

• Кулонівський підрахунок

• Корекція OCV

• Температурна компенсація

• Поточна компенсація

• Корекція старіння клітин

• Хімічна модель SOC

Правильна таблиця OCV-SOC повинна бути створена з вибраного натрій-іонного елемента, а не скопійована з іншої моделі.

Слід також оцінити поведінку саморозряду. Якщо в елементі спостерігаються помітні зміни напруги під час тривалого зберігання, BMS може потребувати періодичного повторного калібрування після достатнього часу відпочинку.

12. Виберіть правильну стратегію балансування

Консистенція елементів залишається важливою для кожної послідовно з’єднаної батареї.

Різниця в ємності, SOC, внутрішньому опорі та саморозряді може поступово збільшити розрив напруги між елементами.

Для менших пакетів іонів натрію може бути достатньо пасивного балансування. Відповідний струм балансування залежить від ємності пакета, консистенції елемента та доступного часу балансування.

Для систем накопичення енергії більшої ємності низький балансуючий струм може зайняти занадто багато часу, щоб виправити істотну різницю SOC. Тоді можна розглянути активне балансування.

Перш ніж покладатися на BMS, постачальник клітин повинен виконати належну класифікацію та відповідність клітин на основі таких факторів, як:

• Ємність

• Напруга холостого ходу

• Внутрішній опір змінного струму

• Внутрішній опір постійному струму

• Швидкість саморозряду

• Відновлення напруги

• Виробнича партія

Балансування повинно виправляти невеликі відмінності під час роботи. Його не слід використовувати для компенсації погано підібраних клітин.

13. Створіть план перевірки для конкретного проекту

Технічний паспорт – це лише початок проекту акумуляторної батареї.

Перед масовим виробництвом прототип пакетів повинен бути випробуваний в умовах, близьких до реального застосування.

План перевірки може включати:

• Тестування ємності

• Розряд безперервного струму

• Випробування піковим струмом

• Тестування швидкої зарядки

• Випробування підвищенням температури

• Низькотемпературний розряд

• Низькотемпературна зарядка

• Тестування життєвого циклу

• Випробування на вібрацію

• Механічний удар

• Випробування на стиснення

• Захист від перезаряду

• Захист від перерозряду

• Захист від короткого замикання

• Оцінка теплового розповсюдження

• Тривале зберігання

Необхідна сертифікація залежить від програми та ринку.

IEC 62619 може мати відношення до промислових вторинних батарей. GB 38031 поширюється на тягові батареї, що використовуються в електромобілях у Китаї. Транспортна документація може також включати UN38.3, MSDS та відповідну оцінку транспортування небезпечних вантажів.

Відповідний стандарт слід підтверджувати на основі кінцевої батареї, ринку та застосування, а не вибирати лише відповідно до типу елемента.

Контрольний список проекту мішечної клітини з іонами натрію

Перш ніж підтверджувати натрій-іонну камеру, перегляньте такі запитання:

Електричні вимоги

• Які номінальна, максимальна та мінімальна напруги системи?

• Що таке безперервний робочий струм?

• Наскільки високим є піковий струм і як довго він триває?

• Який необхідний час заряджання?

• Чи передбачається регенеративна зарядка?

Екологічні вимоги

• Яка найнижча температура нагнітання?

• Яка найнижча температура заряджання?

• Чи піддаватиметься упаковка вібрації, вологості чи соляним бризкам?

• Чи потрібен активний нагрів чи охолодження?

Вимоги до клітини

• Яка натрій-іонна хімія використовується?

• Яка фактична щільність енергії?

• Які обмеження напруги заряду та розряду?

• Які номінальні значення постійного та імпульсного струму?

• Чи доступні низькотемпературні криві?

• Які умови стиснення рекомендовані?

Механічні вимоги

• Чи достатньо місця для зміни товщини?

• Чи захищені поверхні мішків?

• Чи підтримуються вкладки механічно?

• Чи достатньо жорстка рама модуля?

• Чи може тепло передаватися рівномірно від кожної клітини?

Вимоги до BMS

• Чи підтримує AFE повний діапазон напруги?

• Чи регулюються пороги захисту?

• Чи розроблена модель SOC для вибраного натрій-іонного елемента?

• Чи включено зниження номінальних характеристик заряджання при низькій температурі?

• Чи відповідає струм балансування ємності пакета?

Чи підходить натрій-іонний пакетний елемент для кожного проекту?

Не обов'язково.

Натрій-іонні мішечні елементи можуть бути висококонкурентоспроможними там, де важливі низькі температури, потужність, безпека, доступність матеріалів або гнучкі розміри елементів.

LiFePO4 все ще може бути більш придатним, якщо проект потребує зрілого ланцюжка поставок, широко доступних систем заряджання, перевірених довгострокових польових даних і налагодженої підтримки сертифікації.

Літій-іонний NMC може залишатися кращим вибором, коли мінімальна вага та максимальна щільність енергії є найвищими пріоритетами.

Рішення має базуватися на повній системі акумуляторів, а не лише на хімічному маркетингу.

Технічно придатна клітина повинна працювати з корпусом, системою охолодження, BMS, зарядним пристроєм, контролером, планом сертифікації та цільовою вартістю.

Як Misen підтримує проекти мішкових натрій-іонних батарей

Misen працює з клієнтами не тільки над індивідуальним постачанням мобільних телефонів.

Наша підтримка може включати:

• Вибір елемента відповідно до вимог до напруги, потужності та струму

• Порівняння натрій-іонних і літієвих батарей

• Вибір розміру комірки мішка

• Узгодження ємності та внутрішнього опору

• Послідовне та паралельне проектування конфігурації

• Рекомендації щодо механічного стиснення

• Конструкція з'єднання вкладки та шини

• Планування теплового господарства

• Координація параметрів натрій-іонної BMS

• Розробка прототипу акумуляторної батареї

• Підтримка тестування клітинок і пакетів

• Рішення для батарей OEM та ODM

Для нових проектів з використанням іонів натрію ми рекомендуємо починати з фактичних даних застосування, а не вибирати осередок лише з ємності.

Поділіться необхідною напругою, потужністю, безперервним струмом, піковим струмом, робочою температурою, доступними розмірами та очікуваною кількістю замовлення. Наша команда інженерів може допомогти оцінити, чи підходить натрій-іонний пакетний елемент для вашої батареї з технічної та комерційної точки зору.

Шукаєте натрієво-іонну батарею або індивідуальний натрій-іонний акумулятор? Зв’яжіться з Misen, щоб обговорити вимоги до вашого проекту.