باتری‌های لیتیوم به عنوان رسانه ذخیره‌سازی انرژی در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی عمل می‌کنند و اثربخشی، هزینه‌ها و پایداری راهکارهای انرژی به کارایی عملیاتی باتری‌ها بستگی دارد. برای کسب‌وکارهایی که بر تأمین پایدار انرژی تمرکز دارند، چالش فنی افزایش طول عمر سیکل باتری‌های لیتیوم ضروری است تا بتوان از انرژی به شیوه‌ای سازگار با محیط زیست استفاده کرد.

به‌عنوان اولین شرکت در صنعت و حوزه ذخیره‌سازی انرژی تجاری که تحول باتری‌های لیتیومی از نسل اول تا نسل چهارم را همراهی و شاهد آن بوده است، شرکت اوریگوتک با ۱۶ سال تجربه عمیق در این صنعت و حوزه ذخیره‌سازی انرژی تجاری، راه‌حل‌های انرژی سفارشی ارائه داده است. با این کار، ما به تعادل‌بخشی بین تقاضای انرژی و عمر باتری در کاهش پیک، تأمین برق پشتیبان و نیروگاه‌های مجازی کمک کرده‌ایم و بهینه‌سازی‌های بینش‌محوری در عملکرد باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی انجام داده‌ایم. در این مقاله، رویکردهای عملیاتی صنعتی و نوآوری‌های فناوری ترکیب خواهند شد تا عوامل اصلی کاهش عمر چرخه‌ای باتری‌های لیتیومی و رویکردهای صنعتی مرتبط با عمر چرخه‌ای را نموداری کنند.

۱. عوامل اصلی مؤثر بر عمر چرخه‌ای باتری لیتیومی

طول عمر چرخه باتری لیتیوم به تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژی گفته می‌شود که باتری می‌تواند قبل از رسیدن به ظرفیت ۸۰ درصد ظرفیت اولیه خود، انجام دهد. استاندارد صنعتی برای تعریف قابلیت طول عمر چرخه، ۸۰ درصد است. این معیار دارای چند جنبه متقابلاً مرتبط است و توانایی بیان دقیق این جنبه‌های مختلف، پایه‌ای برای افزایش عمر باتری محسوب می‌شود.

۱.۱ تخریب مواد الکترود

الکترودهای مثبت و منفی باتری‌های لیتیوم محل اصلی قرارگیری و خارج شدن یون‌های لیتیوم هستند. پس از تعداد زیادی سیکل، ساختار کریستالی مواد الکترودی (مانند اکسید لیتیوم کبالت، فسفات لیتیوم آهن و غیره) دچار فروپاشی می‌شود و تعداد یون‌های لیتیوم در دسترس کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، در شرایط شارژ جریان بالا و بلندمدت در محصولات ذخیره‌سازی انرژی تجاری موجود، تشکیل "لیتیوم مرده" در الکترود منفی تسریع می‌شود. "لیتیوم مرده" به یون‌های لیتیومی گفته می‌شود که دیگر نمی‌توانند به الکترود مثبت بازگردند و در نتیجه ظرفیت باتری و عمر سیکلی آن به شدت کاهش می‌یابد.

1.2 خطاهای مدیریت شارژ-دشارژ

یکی از شایع‌ترین دلایل کوتاه‌شدن عمر باتری، تنظیم نادرست پارامترهای شارژ و دشارژ است. شارژ بیش از حد (از دست دادن کنترل ولتاژ) می‌تواند باعث تجزیه الکترولیت و همچنین اکسیداسیون مواد الکترودی شود و دشارژ بیش از حد (از دست دادن کنترل زیر ولتاژ قطع) آسیب برگشت‌ناپذیری به الکترود منفی وارد می‌کند. در شرایط واقعی، برخی از کسب‌وکارها تطابق بین مشخصات باتری و تجهیزات شارژ آن را نادیده می‌گیرند که منجر به شرایط شارژ بیش از حد یا دشارژ بیش از حد می‌شود. این موضوع به‌ویژه برای عمر چرخه‌ای سیستم‌های باتری که برای اهداف صنعتی و تجاری نصب شده‌اند، بسیار مضر است.

1.3 نوسانات دمای محیط

کنترل دما ویژگی مهمی در سیستم‌های باتری لیتیومی است. هنگامی که دما از ۴۵°C فراتر رود، الکترولیت باتری بسیار سیال می‌شود و واکنش‌های جانبی از جمله تجزیه ناخواسته الکترولیت و خوردگی الکترود رخ می‌دهد. در طرف دیگر، در شرایط زیر صفر درجه سانتی‌گراد، حرکت یون‌های لیتیوم متوقف شده و فرآیند آنتروپسی ناقص می‌ماند که منجر به افزایش مقاومت داخلی می‌شود. در موارد حاد سیستم‌های باتری که دما کنترل نشود، عمر چرخه باتری می‌تواند بین ۳۰ تا ۵۰ درصد کاهش یابد که با توجه به تنوع جغرافیایی، همچنان مشکلی بزرگ برای ذخیره‌سازی انرژی و کاربردهای صنعتی و تجاری محسوب می‌شود.

۲. راهکارهای فنی برای بیشینه‌سازی عمر چرخه باتری لیتیوم

شرکت Origotek Co., Ltd. تلاش‌های بهینه‌سازی ناشی از عوامل فوق را در تحقیق و توسعه و طراحی محصولات ذخیره‌سازی انرژی صنعتی و تجاری نسل چهارم خود ادغام کرده است. این راهبردها با هدف بهبود عمر چرخه باتری در عین حفظ پایداری در شرایط کاربردی پیچیده طراحی شده‌اند.

2.1 بهینه‌سازی فرمولاسیون مواد الکترود

در مورد محصولات نسل چهارم، ما نسبت مواد الکترود را تغییر دادیم و مقادیر اندکی نیوبیوم به الکترود مثبت اضافه کردیم تا پایداری ساختار کریستالی افزایش یابد و همچنین از پوشش کربن متخلخل بر روی الکترود منفی استفاده کردیم تا تشکیل «لیتیوم مرده» به حداقل برسد. این تغییرات منجر به افزایش بیش از ۲۰٪ در عمر چرخه باتری‌های ذخیره‌سازی انرژی صنعتی و تجاری ما در مقایسه با نسل سوم شده است که اکنون در شرایط استاندارد شارژ و دشارژ، این عدد از ۶۰۰۰ چرخه فراتر رفته است.

2.2 اجرای مدیریت هوشمند شارژ و دشارژ

برای کاربردهای صنعتی و تجاری، سیستم مدیریت شارژ و دشارژ (C&DMS) را به‌صورت سفارشی طراحی کرده‌ایم که به‌طور مستقل پارامترهای جریان و ولتاژ را برای هر حالت شارژ (SOC) و سناریوی دما تعیین و تنظیم می‌کند.
• در حین شارژ، زمانی که SOC به ۸۰٪ و بالاتر برسد، سیستم به حالت جریان ثابت تغییر می‌کند تا از شارژ بیش از حد جلوگیری شود.
• در حین دشارژ، مدار در صورت رسیدن SOC به ۲۰٪ و پایین‌تر قطع می‌شود تا از دشارژ بیش از حد جلوگیری شود.
• این سیستم به‌گونه‌ای یکپارچه شده است که به‌صورت زمان واقعی با سیستم مدیریت انرژی ارتباط برقرار می‌کند و با هموارسازی اوج مصرف بهینه‌شده بر اساس SOC، استراتژی شارژ و دشارژ را برای عملیات برنامه‌ریزی‌شده نیروگاه مجازی بهبود می‌بخشد.

2.3 به‌کارگیری فناوری کنترل فعال دما

تمامی سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی صنعتی و تجاری ما دارای ویژگی یکنواخت‌سازی دما هستند. بنابراین این سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی دارای سیستم دو حالته فعال دما با قابلیت‌های خنک‌کنندگی و گرمایشی می‌باشند.
• در شرایط دمای بالا، خنک‌سازی توسط مبادله‌گرهای حرارتی مایع کنترل‌شده دما، باتری را در دمای 25 تا 35 درجه سانتی‌گراد نگه می‌دارد.
• در شرایط دمای پایین، یک هیتر PTC همراه با مبادله‌گر حرارتی باتری‌ها را گرم کرده و دمای آن‌ها را بالاتر از 5 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند. به طور مشخص، قبل از شارژ، گرمایش باتری تا زمانی انجام می‌شود که دمای باتری به بالاتر از 5 درجه سانتی‌گراد برسد تا امکان رخ دادن فرآیند لیتی‌اسیون (lithi intercalation) فراهم شود.

این امر عمر و قابلیت اطمینان سیستم‌ها را در شرایط حدی دما به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

3. کاربرد استراتژی‌های افزایش عمر در ذخیره‌سازی انرژی صنعتی و تجاری

در مورد استفاده پایدار از انرژی در سناریوهای صنعتی و تجاری، باتری‌های با عمر طولانی تنها بخشی از معادله است. یکپارچه‌سازی باتری و مدیریت تقاضای انرژی عاملی کلیدی است. این امر توسط شرکت اوریگوتک (Origotek Co., Ltd.) در چندین مورد استفاده مشتری تأیید شده است.

به عنوان مثال، در پروژه نیروگاه مجازی سیستم ذخیره‌سازی انرژی قابل تنظیم در شاندونگ (10 مگاوات‌ساعت)، بهینه‌سازی استراتژی‌های عمر باتری تفاوت چشمگیری ایجاد کرد. با استفاده از یک سیستم BMS هوشمند و کنترل دمای پیشرفته، طول عمر چرخه باتری‌ها پس از 2 سال (بیش از 1500 چرخه) در حدود 90 درصد از حالت اولیه حفظ شده است. کارایی مدیریت انرژی مشتری 15 درصد بهبود یافت و هزینه کلی تعویض باتری تقریباً 40 درصد کاهش یافت.

در پروژه دیگری برای صرفه‌جویی در اوج مصرف در تیانجین برای یک بنگاه تولیدی، محصولات نسل چهارم ما در زمینه ذخیره‌سازی انرژی صنعتی و تجاری، الگوهای شارژ و دشارژ را بر اساس برنامه‌های تولید بنگاه تعدیل کردند که به ادامه فرآیند تحول انرژی بنگاه کمک شایانی نمود. سیستم باتری به مدت 4 سال به‌صورت پایدار کار کرده و به‌طور یکپارچه از تلاش‌های تحول انرژی این بنگاه حمایت کرده است.

نتیجه‌گیری

طول عمر سیکل باتری لیتیوم زمانی حاصل می‌شود که فناوری مواد با هم ادغام شود، مدیریت هوشمند اعمال گردد و تمامی عوامل محیطی در نظر گرفته شوند. از دیدگاه عملی، کاهش هزینه ذخیره‌سازی انرژی و افزایش عمر باتری، یک موقعیت برد-ببرد برای بنگاه‌های صنعتی و تجاری در اکوسیستم به شمار می‌آید.

در بازار ذخیره‌سازی انرژی برای کاربردهای صنعتی و تجاری، رویکردهای پیشرفته و تخصص کسب‌شده شرکت The Origotek Co., Ltd به طور مداوم بر طراحی راه‌حل‌های سفارشی بهینه‌سازی عملکرد باتری متناسب با نسل چهارم سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی متمرکز خواهد بود. ما قصد داریم به مشتریان خود در بخش‌های صنعتی و تجاری در سفر سرمایه‌گذاری در پایداری انرژی و در جوامع کشورهای در حال توسعه با سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی کمک کنیم.