Литиевые аккумуляторы используются в качестве средства хранения энергии в коммерческих и промышленных системах, при этом эффективность, стоимость и устойчивость энергетических решений зависят от рабочей эффективности аккумуляторов. Для компаний, ориентированных на стабильное энергоснабжение, техническая задача продления срока циклов литиевых аккумуляторов имеет первостепенное значение для экологически обоснованного использования энергии.

Будучи первой компанией в отрасли и сфере коммерческих систем хранения энергии, которая сопровождала и стала свидетелем эволюции литий-ионных аккумуляторов для хранения энергии от первого поколения до четвёртого, компания Origotek Co. Ltd в течение 16 лет глубоко развивала свою экспертизу в области промышленного и коммерческого хранения энергии, создавая индивидуальные энергетические решения. Таким образом, мы способствовали балансировке потребностей в энергии и срока службы аккумуляторов при сглаживании пиковых нагрузок, резервном электропитании и в виртуальных электростанциях, а также внедрили оптимизацию производительности энергоаккумуляторов на основе аналитических данных. В данной статье промышленные практики и технологические инновации объединены для раскрытия ключевых факторов снижения циклового ресурса литий-ионных аккумуляторов и передовых промышленных подходов к увеличению срока их циклической службы.

1. Основные факторы, влияющие на цикловый ресурс литий-ионных аккумуляторов

Срок цикла литиевой батареи определяется как количество циклов зарядки-разрядки, которые батарея способна пройти до достижения ёмкости на уровне 80% от исходной. В отрасли принято использовать стандарт в 80% для определения срока службы цикла. Существует ряд взаимосвязанных аспектов этого показателя, и способность чётко описать различные аспекты этого параметра является основой для продления срока службы батареи.

1.1 Деградация электродного материала

Положительный и отрицательный электроды литиевых батарей являются основными участками внедрения и извлечения ионов лития. В ходе многочисленных циклов кристаллическая структура электродного материала (оксид лития-кобальта, фосфат лития-железа и др.) разрушается, и количество доступных ионов лития уменьшается. Например, при длительной зарядке высоким током в коммерческих накопителях энергии ускоряется образование «мертвого лития» на отрицательном электроде. «Мертвый литий» — это ионы лития, которые не могут снова внедриться в положительный электрод, в результате чего емкость батареи и срок её циклов значительно сокращаются.

1.2 Ошибки управления зарядкой-разрядкой

Одной из наиболее распространенных причин сокращения срока службы батареи является неправильная настройка параметров заряда-разряда. Перезарядка (потеря контроля напряжения) может вызвать разложение электролита, а также окисление материалов электродов, а чрезмерный разряд (потеря контроля ниже порогового напряжения) приводит к необратимому повреждению отрицательного электрода. На практике некоторые компании пренебрегают соответствием характеристик батареи и оборудования для её зарядки, что приводит к ситуациям перезаряда или чрезмерного разряда. Это особенно вредно для циклического ресурса батарейных систем, установленных в промышленных и коммерческих целях.

1.3 Колебания температуры окружающей среды

Контроль температуры является важной характеристикой систем литиевых батарей. Когда температура превышает 45 °C, электролиты батареи становятся highly fluid, и происходят побочные реакции, включая нежелательное разложение электролита и коррозию электродов. В противоположном случае, при температуре ниже 0 °C, движение ионов лития замедляется, а интеркаляция становится неполной, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления. В крайних случаях, когда температура в системах батарей не контролируется, срок циклической службы батареи может сократиться на 30–50 %, что остаётся значительной проблемой для систем хранения энергии, а также промышленных и коммерческих применений с учётом разнообразия географических условий.

2. Технические стратегии для максимального увеличения срока циклической службы литиевых батарей

Компания The Origotek Co., Ltd. интегрировала усилия по оптимизации, возникшие благодаря вышеуказанным факторам, в исследования и разработку своих промышленных и коммерческих продуктов накопления энергии четвертого поколения. Такие стратегии направлены на увеличение срока циклов зарядки-разрядки аккумуляторов при сохранении стабильности в сложных условиях эксплуатации.

2.1 Оптимизация состава электродного материала

В продуктах четвертого поколения мы изменили соотношение материалов электродов, добавив следовые количества ниобия в положительный электрод для повышения стабильности кристаллической структуры, а также нанеся пористое углеродное покрытие на отрицательный электрод для минимизации образования «мертвого лития». Это позволило увеличить срок службы циклов наших промышленных и коммерческих аккумуляторов хранения энергии более чем на 20 % по сравнению с третьим поколением; теперь он превышает 6 000 циклов при стандартных условиях зарядки-разрядки.

2.2 Внедрение интеллектуального управления зарядкой-разрядкой

Для промышленных и коммерческих применений мы разработали индивидуальную систему управления зарядом и разрядом (C&DMS), которая самостоятельно определяет и адаптирует параметры тока и напряжения для любого состояния заряда (SOC) и температурного режима.
• Во время зарядки, когда уровень заряда (SOC) составляет 80% и выше, система переключается на режим постоянного тока, чтобы предотвратить перезарядку.
• Во время разрядки цепь отключается, когда уровень заряда (SOC) составляет 20% и ниже, чтобы предотвратить глубокий разряд.
• Система интегрирована для обеспечения двусторонней связи в реальном времени с системой управления энергией и с оптимизацией по SOC для срезания пиковых нагрузок, что улучшает стратегию разрядки и зарядки при запланированных операциях виртуальной электростанции.

2.3 Применение активной технологии управления температурой

Все наши промышленные и коммерческие системы хранения энергии обладают функцией выравнивания температуры. Таким образом, системы хранения энергии оснащены двухрежимной активной системой терморегулирования, имеющей функции охлаждения и обогрева.
• В условиях высоких температур охлаждение с помощью регулируемых жидкостных теплообменников поддерживает температуру аккумулятора в диапазоне 25–35 °C.
• В условиях низких температур нагреватель PTC с теплообменником прогревает аккумуляторы и поддерживает их температуру выше 5 °C. Конкретно, перед зарядкой осуществляется подогрев аккумулятора до температуры выше 5 °C, что позволяет нормализовать процесс интеркаляции лития.

Это значительно увеличивает срок службы и надёжность систем при экстремальных температурных условиях.

3. Применение стратегий продления срока службы в промышленных и коммерческих системах хранения энергии

Что касается устойчивого использования энергии в промышленных и коммерческих сценариях, долговечные аккумуляторы — это лишь часть решения. Ключевым является интеграция управления аккумуляторами и энергопотреблением. Это было подтверждено компанией Origotek Co., Ltd. на нескольких примерах использования клиентами.

Например, в проекте виртуальной электростанции с настраиваемой системой накопления энергии в провинции Шаньдоне (10 МВт·ч) оптимизация стратегий продления срока службы батарей дала существенный результат. Благодаря интеллектуальной системе управления батареями (BMS) и системе контроля температуры срок циклирования батарей сохраняется на уровне более чем 90% от начального состояния после 2 лет эксплуатации (более 1500 циклов). Эффективность диспетчеризации энергии у клиента повысилась на 15%, а общая стоимость замены батарей снизилась почти на 40%.

В другом проекте по сглаживанию пиковых нагрузок в Тяньцзине для промышленного предприятия наши продукты промышленного и коммерческого накопления энергии четвёртого поколения скорректировали режимы зарядки и разрядки в соответствии с графиком производства предприятия, что помогло предприятию успешно осуществлять энергетическую трансформацию. Система батарей работает стабильно уже 4 года и без перебоев поддерживает усилия предприятия по энергопереходу.

Заключение

Срок цикла литиевой батареи достигается за счёт интеграции технологий материалов, внедрения интеллектуального управления и учёта всех факторов окружающей среды. С практической точки зрения, снижение стоимости накопления энергии и увеличение срока службы батарей — это выигрышная ситуация как для промышленных, так и для коммерческих предприятий в экосистеме.

На рынке систем хранения энергии для промышленного и коммерческого использования компания The Origotek Co., Ltd продолжит концентрироваться на разработке индивидуальных решений по оптимизации производительности аккумуляторов, основываясь на накопленном передовом опыте в области хранения энергии и в соответствии с обновлением поколения систем хранения энергии до четвёртого. Мы будем и дальше помогать нашим клиентам в промышленных и коммерческих секторах в использовании систем хранения энергии на пути инвестиций в устойчивую энергетику и развитие обществ в развивающихся странах.