Baterie litowe stanowią medium do przechowywania energii w komercyjnych i przemysłowych systemach magazynowania energii, a skuteczność, koszty i zrównoważoność rozwiązań energetycznych zależą od sprawności działania baterii. Dla firm koncentrujących się na stabilnym dostępie do energii, techniczne wyzwanie polegające na wydłużeniu cyklu życia baterii litowych jest kluczowe dla ekologicznego wykorzystywania energii.

Jako pierwsza firma w branży i w dziedzinie komercyjnych systemów magazynowania energii, która wspierała i była świadkiem ewolucji magazynowania energii opartego na bateriach litowych od pierwszej do czwartej generacji, przez 16 lat intensywnie rozwijamy działalność w obszarze przemysłowym i komercyjnym magazynowaniu energii. Firma Origotek Co. Ltd tworzy spersonalizowane rozwiązania energetyczne, które pomagają wyrównywać zapotrzebowanie na energię i wydłużać żywotność baterii w zastosowaniach takich jak wyostrzanie szczytów obciążenia, zasilanie rezerwowe oraz wirtualne elektrownie, dokonując optymalizacji działania baterii pod kątem wydajności. W niniejszym artykule połączone zostaną praktyki przemysłowe z innowacjami technologicznymi, aby zobrazować kluczowe czynniki skracające cykl życia baterii litowych oraz omówić najlepsze praktyki przemysłowe dotyczące cyklu życia.

1. Główne czynniki wpływające na cykl życia baterii litowych

Żywotność cyklu baterii litowej definiuje się jako liczbę cykli ładowania i rozładowania, które bateria może wytrzymać przed osiągnięciem pojemności na poziomie 80% pierwotnej wartości. Przemysł przyjął standardowy próg 80% do określania możliwości żywotności cyklu. Istnieje szereg powiązanych aspektów tej metryki, a umiejętność sformułowania poszczególnych jej elementów stanowi podstawę dla wydłużenia żywotności baterii.

1.1 Degradacja materiału elektrod

Elektrody dodatnia i ujemna baterii litowych są kluczowymi miejscami interkalacji i deinterkalacji jonów litu. W wyniku wielu cykli struktura krystaliczna materiału elektrodowego (tlenek litowo-kobaltowy, fosforan litowo-żelazowy itp.) ulega kolapsowi, a liczba dostępnych jonów litu się zmniejsza. Na przykład w przypadku długotrwałego ładowania prądem o dużej wartości w komercyjnie dostępnych produktach do magazynowania energii przyspiesza się powstawanie tzw. "martwego litu" na elektrodzie ujemnej. "Martwy lit" to jony litu, które nie mogą ponownie interkalcjonować do elektrody dodatniej, co powoduje znaczące zmniejszenie pojemności baterii oraz skrócenie jej żywotności cyklicznej.

1.2 Błędy w zarządzaniu ładowaniem i rozładowaniem

Jednym z najczęstszych powodów skracania się żywotności baterii jest nieprawidłowe ustawienie parametrów ładowania i rozładowania. Przeladowanie (utrata kontroli nad napięciem) może spowodować rozkład elektrolitu oraz utlenianie materiałów elektrod, a przerysowanie (utrata kontroli poniżej napięcia odcięcia) powoduje nieodwracalne uszkodzenie elektrody ujemnej. W rzeczywistych warunkach niektóre firmy pomijają odpowiedniość między specyfikacją baterii a urządzeniem do jej ładowania, co prowadzi do sytuacji przeladowania/przerysowania. Ma to szczególnie negatywny wpływ na cykl życia systemów akumulatorów stosowanych w celach przemysłowych i komercyjnych.

1.3 Fluktuacje temperatury otoczenia

Kontrola temperatury jest ważną cechą systemów baterii litowych. Gdy temperatura przekracza 45°C, elektrolit staje się bardzo płynny, a reakcje uboczne obejmują niepożądane rozkładanie elektrolitu i korozję elektrod. Z drugiej strony, w warunkach poniżej 0°C ruch jonów litu ulega zamrożeniu, a interkalacja jest niekompletna, co prowadzi do wzrostu oporu wewnętrznego. W skrajnych przypadkach systemów baterii, w których temperatura nie jest kontrolowana, żywotność cykliczna baterii może zmniejszyć się o 30%-50%, co nadal stanowi istotny problem dla magazynowania energii oraz zastosowań przemysłowych i komercyjnych, biorąc pod uwagę różnorodność warunków geograficznych.

2. Strategie techniczne maksymalizujące żywotność cykliczną baterii litowych

The Origotek Co., Ltd. zintegrowała działania optymalizacyjne wynikające z powyższych czynników w procesie badań i rozwoju oraz projektowania swoich energooszczędnych produktów przemysłowych i komercyjnych czwartej generacji. Takie strategie są skierowane na poprawę cyklu życia baterii przy jednoczesnym zapewnieniu stabilności w złożonych scenariuszach użytkowania.

2.1 Optymalizacja składu materiału elektrodowego

W przypadku produktów czwartej generacji zmieniliśmy proporcje materiałów elektrodowych, dodając śladowe ilości niobu do elektrody dodatniej w celu wzmocnienia stabilizacji struktury krystalicznej oraz stosując porowatą warstwę węglową na elektrodzie ujemnej, aby zminimalizować powstawanie tzw. "martwego litu". Skutkiem tego jest ponad 20-procentowy wzrost liczby cykli pracy naszych przemysłowych i komercyjnych baterii magazynujących energię w porównaniu z trzecią generacją, przekraczając obecnie 6 000 cykli przy standardowych warunkach ładowania i rozładowania.

2.2 Wdrożenie inteligentnego zarządzania ładowaniem i rozładowaniem

Dla zastosowań przemysłowych i komercyjnych stworzyliśmy dostosowany system zarządzania ładowaniem i rozładowaniem (C&DMS), który niezależnie określa i dostosowuje parametry prądu i napięcia dla każdego stanu naładowania (SOC) oraz scenariusza temperatury.
• Podczas ładowania, gdy SOC wynosi 80% lub więcej, system przełącza się na stały prąd, aby zapobiec przeciążeniu.
• Podczas rozładowania obwód jest odłączany, gdy SOC wynosi 20% lub mniej, aby zapobiec głębokiemu rozładowaniu.
• System jest zintegrowany tak, aby komunikować się w czasie rzeczywistym z systemem zarządzania energią oraz dzięki optymalizacji SOC umożliwia redukcję szczytów obciążenia, poprawiając strategię rozładowania i ładowania dla planowanych operacji wirtualnej elektrowni.

2.3 Zastosowanie aktywnej technologii sterowania temperaturą

Wszystkie nasze systemy magazynowania energii przeznaczone do zastosowań przemysłowych i komercyjnych posiadają funkcję wyrównywania temperatury. Dlatego systemy magazynowania energii są wyposażone w dwumodowy aktywny system regulacji temperatury z funkcjami chłodzenia i grzania.
• W warunkach wysokich temperatur chłodzenie za pomocą wymienników ciepła sterowanych pod względem temperatury utrzymuje baterię w temperaturze 25–35°C.
• W warunkach niskich temperatur grzałka PTC z wymiennikiem ciepła ogrzewa baterie i utrzymuje je powyżej 5°C. Konkretnie, przed naładowaniem bateria jest ogrzewana aż do osiągnięcia temperatury powyżej 5°C, co umożliwia normalne zachodzenie procesu interkalacji litu.

To znacznie poprawia żywotność i niezawodność systemów działających w skrajnych warunkach temperaturowych.

3. Zastosowanie strategii wydłużania żywotności w przemysłowych i komercyjnych systemach magazynowania energii

Jeśli chodzi o zrównoważone wykorzystanie energii w zastosowaniach przemysłowych i komercyjnych, długowieczne baterie to tylko część równania. Kluczowe znaczenie ma integracja baterii z zarządzaniem zapotrzebowaniem na energię. Zostało to potwierdzone przez firmę Origotek Co., Ltd. w kilku przykładach u klientów.

Na przykład w projekcie wirtualnej elektrowni z systemem magazynowania energii dostosowywanym do potrzeb w Szantungu (10 MWh), optymalizacja strategii wydłużenia żywotności baterii przyniosła znaczące efekty. Dzięki inteligentnemu systemowi BMS i kontroli temperatury, cykl życia baterii został utrzymany na poziomie powyżej 90% stanu początkowego po 2 latach (ponad 1500 cykli). Efektywność zarządzania energią przez klienta wzrosła o 15%, a całkowity koszt wymiany baterii zmniejszył się niemal o 40%.

W innym projekcie redukcji szczytów obciążenia w Tianjin dla przedsiębiorstwa produkcyjnego, nasze produkty magazynowania energii czwartej generacji dostosowały cykle ładowania i rozładowania do harmonogramu produkcji, co pomogło przedsiębiorstwu w przejściu energetycznym. System baterii działa stabilnie od 4 lat, bezproblemowo wspierając działania przedsiębiorstwa związane z transformacją energetyczną.

Podsumowanie

Żywotność cyklu baterii litowych jest osiągana poprzez integrację technologii materiałowych, wdrożenie inteligentnego zarządzania oraz uwzględnienie wszystkich czynników środowiskowych. Z praktycznego punktu widzenia obniżenie kosztów magazynowania energii oraz wydłużenie żywotności baterii to sytuacja korzystna zarówno dla przedsiębiorstw przemysłowych, jak i komercyjnych działających w tym ekosystemie.

W zakresie rynku magazynowania energii do zastosowań przemysłowych i komercyjnych, firma The Origotek Co., Ltd. będzie nadal koncentrować się na doskonaleniu praktyk i wiedzy w zakresie magazynowania energii, kładąc nacisk na projektowanie niestandardowych rozwiązań optymalizacji wydajności baterii zgodnie z kolejną, czwartą generacją systemów magazynowania energii. Będziemy dalej wspierać naszych klientów z sektorów przemysłowych i komercyjnych w zakupie systemów magazynowania energii na ich drodze inwestycji w zrównoważoną energetykę oraz w społeczeństwach krajów rozwijających się.