Lithiové baterie slouží jako médium pro ukládání energie v komerčních a průmyslových systémech skladování energie a účinnost, náklady a udržitelnost energetických řešení závisí na provozní efektivitě baterií. Pro podniky zaměřené na stabilní dodávku energie je technickým imperativem prodloužení životnosti cyklů lithiových baterií šetrné využívání energie k životnímu prostředí.

Jako první společnost v odvětví a v oblasti komerčního skladování energie, která podpořila a byla svědkem vývoje lithiových baterií ze prvné generace až po čtvrtou generaci, naše společnost Origotek Co. Ltd s 16letým hlubokým zapojením do průmyslu a komerčního skladování energie vytváří přizpůsobená energetická řešení. Tímto způsobem jsme pomohli vyrovnat energetické požadavky a životnost baterií při vyrovnávání špiček, záložním napájení a virtuálních elektrárnách a dosáhli optimalizací výkonu baterií pro ukládání energie. V tomto článku se průmyslové postupy a technologické inovace spojí, aby znázornily klíčové faktory snižující životnost cyklu lithiových baterií a průmyslové postupy týkající se životnosti cyklu.

1. Základní faktory ovlivňující životnost cyklu lithiových baterií

Životnost cyklu lithiové baterie je definována jako počet cyklů nabíjení a vybíjení, které baterie dokáže absolvovat, než dosáhne kapacity 80 % původní kapacity. Jako průmyslový standard pro definování životnosti cyklu je stanoveno 80 %. Tato metrika zahrnuje řadu vzájemně souvisejících aspektů a schopnost artikulovat jednotlivé aspekty této metriky je základním krokem pro prodloužení životnosti baterie.

1.1 Degradace materiálu elektrod

Kladná a záporná elektroda lithiových baterií jsou klíčovými místy pro interkalaci a deinterkalaci iontů lithia. Po mnoha cyklech dochází ke kolapsu krystalické struktury materiálu elektrody (např. lithnato kobaltnaté, lithnato železitofosforečné atd.) a počet dostupných iontů lithia se snižuje. Například při dlouhodobém nabíjení vysokým proudem u komerčně dostupných úložišť energie se urychluje tvorba tzv. „mrtvého lithia“ na záporné elektrodě. „Mrtvé lithium“ jsou ionty lithia, které již nemohou být znovu interkalovány do kladné elektrody, čímž je výrazně omezena kapacita baterie i její životnost.

1.2 Chyby při řízení nabíjení a vybíjení

Jedním z nejčastějších důvodů zkrácení životnosti baterie je nesprávné nastavení parametrů nabíjení a vybíjení. Přebíjení (ztráta kontroly napětí) může způsobit rozklad elektrolytu i oxidaci materiálů elektrod, a přílišné vybíjení (ztráta kontroly pod mezním napětím) způsobuje nevratné poškození negativní elektrody. Ve skutečných situacích některé společnosti zanedbávají soulad mezi specifikacemi baterie a nabíjecím zařízením, což vede k situacím přebíjení/přílišného vybíjení. To je obzvláště škodlivé pro cyklovou životnost bateriových systémů instalovaných pro průmyslové a komerční účely.

1.3 Kolísání okolní teploty

Regulace teploty je důležitou vlastností systémů lithiových baterií. Když teplota překročí 45 °C, elektrolyty baterií se stávají velmi tekutými a dochází k vedlejším reakcím, včetně nežádoucího rozkladu elektrolytu a koroze elektrod. Na druhém konci spektra, při teplotách pod 0 °C, je pohyb iontů lithia omezen a interkalace je neúplná, což vede ke zvýšenému vnitřnímu odporu. V extrémních případech systémů baterií, kde není teplota řízena, může životnost cyklu baterie klesnout o 30–50 %, což zůstává významným problémem pro úložiště energie i průmyslové a komerční aplikace s ohledem na různorodou geografickou polohu.

2. Technické strategie pro maximalizaci životnosti cyklu lithiových baterií

Společnost The Origotek Co., Ltd. integrovala optimalizační úsilí vyplývající z výše uvedených faktorů do vývoje a návrhu svých průmyslových a komerčních energetických úložišť čtvrté generace. Tyto strategie jsou zaměřeny na prodloužení životnosti baterií při zachování stability v rámci složitých aplikačních scénářů.

2.1 Optimalizace složení elektrodového materiálu

U produktů čtvrté generace jsme změnili poměry elektrodových materiálů tím, že jsme do kladné elektrody přidali stopová množství niobu za účelem zlepšení stabilizace krystalické struktury, a na zápornou elektrodu aplikovali porézní uhlíkové povlaky, aby se minimalizovalo vznikání tzv. "mrtvého lithia". To vedlo ke zvýšení životnosti cyklů našich průmyslových a komerčních bateriových úložišť o více než 20 % ve srovnání s třetí generací, která nyní při standardním nabíjení a vybíjení přesahuje 6 000 cyklů.

2.2 Implementace inteligentního řízení nabíjení a vybíjení

Pro průmyslové a komerční aplikace jsme přizpůsobili systém řízení nabíjení a vybíjení (C&DMS), který nezávisle určuje a upravuje parametry proudu a napětí pro jakýkoli stav nabití (SOC) a teplotní scénář.
• Během nabíjení při SOC 80 % a vyšším přechází do režimu konstantního proudu, aby se zabránilo přebíjení.
• Během vybíjení je obvod odpojen při SOC 20 % a nižším, aby se zabránilo přílišnému vybíjení.
• Je integrován pro komunikaci v reálném čase se systémem řízení energie a s optimalizací SOC pro omezování špiček, čímž zlepšuje strategii vybíjení a nabíjení pro plánované provozní režimy virtuální elektrárny.

2.3 Použití technologie aktivního řízení teploty

Všechny naše průmyslové a komerční systémy pro ukládání energie mají funkci vyrovnání teploty. Systémy pro ukládání energie proto disponují dvou režimovým aktivním teplotním systémem s funkcemi chlazení a vytápění.
• Za vysokých teplotních podmínek udržuje chlazení pomocí tepelného výměníku s regulací teploty baterii v rozmezí 25–35 °C.
• Za nízkých teplotních podmínek ohřívá baterie PTC ohřívač s tepelným výměníkem a udržuje je nad 5 °C. Konkrétně před nabíjením probíhá ohřev baterie, dokud její teplota nepřekročí 5 °C, čímž se umožní normální interkalace lithia.

To výrazně zvyšuje životnost a spolehlivost systémů v extrémních teplotních podmínkách.

3. Aplikace strategií prodloužení životnosti v průmyslovém a komerčním skladování energie

Pokud jde o udržitelné využití energie v průmyslových a komerčních scénářích, dlouhá životnost baterií je pouze jednou součástí rovnice. Klíčové je integrovat řízení baterií a řízení poptávky po energii. To bylo ověřeno společností Origotek Co., Ltd. na několika příkladech využití u zákazníků.

Například v projektu virtuální elektrárny se systémem ukládání energie, který lze přizpůsobit v Šan-tungu (10 MWh), mělo optimalizování strategií životnosti baterií značný dopad. Díky inteligentnímu systému BMS a řízení teploty byla životnost baterií po dobu 2 let (více než 1 500 cyklů) udržena na více než 90 % původního stavu. Efektivita distribuce energie pro zákazníka se zvýšila o 15 % a celkové náklady na výměnu baterií klesly téměř o 40 %.

V dalším projektu vyrovnávání špiček v Tchien-ťinu pro výrobní podnik naše energetické skladovací zařízení průmyslového a komerčního použití čtvrté generace upravovalo režim nabíjení a vybíjení na základě výrobních plánů podniku, čímž pomohlo podniku udržetelně uskutečnit energetickou transformaci. Bateriový systém bezpečně funguje již 4 roky a nepřetržitě podporuje úsilí podniku o energetickou transformaci.

Závěr

Životnost lithiové baterie je dosažena, když jsou integrovány technologie materiálů, zaveden inteligentní management a zohledněny všechny environmentální faktory. Z praktického hlediska představuje snížení nákladů na ukládání energie a prodloužení životnosti baterií win-win situaci pro průmyslové a obchodní podniky v rámci ekosystému.

Na trhu s akumulací energie pro průmyslové a komerční využití bude společnost The Origotek Co., Ltd. i nadále zaměřena na návrh optimalizačních řešení výkonu baterií na míru, a to v souladu s iterací čtvrté generace systémů pro ukládání energie, přičemž bude využívat své intenzivně získané zkušenosti a odborné znalosti v této oblasti. Budeme nadále pomáhat našim zákazníkům z průmyslového a komerčního sektoru s investicemi do energetické udržitelnosti prostřednictvím systémů pro ukládání energie a také společnostem v rozvojových zemích.