Літій-іонні акумулятори використовуються як засіб накопичення енергії в комерційних і промислових системах зберігання енергії, а ефективність, вартість і сталість енергетичних рішень залежать від експлуатаційної ефективності акумуляторів. Для підприємств, які прагнуть до стабільного енергопостачання, технічна задача подовження терміну служби літій-іонних акумуляторів є важливою для екологічно чистого використання енергії.

Як перша компанія в галузі та в сфері комерційних систем зберігання енергії, яка сприяла й свідчила за еволюцією акумуляторів літій-іонних систем зберігання енергії від першого до четвертого покоління, протягом 16 років ми глибоко розвивали досвід у галузі та в комерційному зберіганні енергії. Компанія Origotek Co. Ltd розробила індивідуальні енергетичні рішення, що дозволили збалансувати потреби в енергії та термін служби акумуляторів під час стримування пікових навантажень, резервного електроживлення та у віртуальних електростанціях, а також оптимізувати продуктивність акумуляторів шляхом аналізу даних. У цій статті промислові практики та технологічні інновації поєднуються для того, щоб проілюструвати основні фактори, що зменшують циклічний ресурс літій-іонних акумуляторів, та промислові практики щодо циклічного ресурсу.

1. Основні чинники, що впливають на циклічний ресурс літій-іонних акумуляторів

Циклічний термін служби літієвого акумулятора визначається як кількість циклів зарядки-розрядки, які акумулятор може пройти до того, як його ємність знизиться до 80% від початкової. У галузі існує стандарт 80% для визначення можливостей циклічного терміну служби. Цей показник залежить від низки взаємопов’язаних факторів, і розуміння цих аспектів є основою для продовження терміну служби акумулятора.

1.1 Деградація електродних матеріалів

Позитивні та негативні електроди літій-іонних акумуляторів є основними місцями інтеркаляції та деінтеркаляції літію. Після багатьох циклів кристалічна структура матеріалу електродів (літій-кобальтовий оксид, літій-залізо-фосфат тощо) руйнується, і зменшується кількість доступних літій-іонів. Наприклад, у сценарії тривалого заряджання великим струмом комерційно доступних систем зберігання енергії прискорюється утворення «мертвого літію» на негативному електроді. «Мертвий літій» — це літій-іони, які не можуть повторно інтеркалюватися в позитивний електрод, що призводить до значного зниження ємності акумулятора та терміну його служби.

1.2 Помилки управління зарядкою-розрядкою

Однією з найпоширеніших причин скорочення терміну служби акумулятора є неправильне налаштування параметрів зарядки-розрядки. Перезарядка (втрата контролю над напругою) може призвести до розкладання електроліту, а також окислення матеріалів електродів, а перерозрядка (втрата контролю нижче межової напруги) призводить до необоротних пошкоджень негативного електрода. На практиці деякі підприємства ігнорують відповідність характеристик акумулятора та обладнання для його зарядки, що призводить до ситуацій перезаряду/перерозряду. Це особливо шкідливо для циклічного ресурсу акумуляторних систем, встановлених з промислових та комерційних цілей.

1.3 Коливання температури навколишнього середовища

Контроль температури є важливою характеристикою систем на основі літій-іонних акумуляторів. Коли температура перевищує 45°C, електроліт акумулятора стає надто рухливим, і відбуваються побічні реакції, зокрема небажане розкладання електроліту та корозія електродів. З іншого боку, при температурі нижче 0°C рух іонів літію уповільнюється, а інтеркаляція залишається неповною, що призводить до збільшення внутрішнього опору. У крайніх випадках, коли температура в системах акумуляторів не контролюється, термін циклічного життя акумулятора може скоротитися на 30%-50%, що залишається значною проблемою для систем зберігання енергії та промислових і комерційних застосувань з урахуванням різноманіття географічних умов.

2. Технічні стратегії для максимізації терміну циклічного життя літій-іонних акумуляторів

Компанія The Origotek Co., Ltd. інтегрувала оптимізаційні зусилля, що випливають із вищезазначених факторів, у науково-дослідні роботи та проектування своїх промислових та комерційних акумуляторних систем четвертого покоління. Такі стратегії спрямовані на підвищення терміну циклічного життя батарей при збереженні стабільності в складних умовах експлуатації.

2.1 Оптимізація складу матеріалу електродів

У продуктах четвертого покоління ми змінили співвідношення матеріалів електродів, додавши слідові кількості ніобію до позитивного електрода для підвищення стабільності кристалічної структури та застосувавши пористе вуглецеве покриття на негативному електроді, щоб мінімізувати утворення «мертвого літію». Це призвело до збільшення терміну циклічного життя наших промислових та комерційних акумуляторних систем більш ніж на 20% порівняно з попереднім поколінням; тепер він перевищує 6 000 циклів при стандартних умовах зарядки-розрядки.

2.2 Впровадження інтелектуального управління зарядкою-розрядкою

Для промислових і комерційних застосувань ми розробили спеціалізовану Систему керування зарядом і розрядом (C&DMS), яка незалежно визначає та адаптує параметри струму і напруги для будь-якого стану заряду (SOC) і температурних умов.
• Під час заряджання, коли рівень SOC становить 80% або більше, система перемикається на постійний струм, щоб запобігти перезаряджанню.
• Під час розряджання ланцюг відключається, коли рівень SOC становить 20% або менше, щоб запобігти надмірному розряджанню.
• Вона інтегрована для обміну даними в режимі реального часу з системою управління енергією та з оптимізованим за SOC зрізанням піків, щоб покращити стратегію розрядки та зарядки для планових операцій віртуальної електростанції.

2.3 Застосування активної технології керування температурою

Усі наші промислові та комерційні системи зберігання енергії мають функції вирівнювання температури. Тому системи зберігання енергії мають двомодову активну систему терморегулювання з функціями охолодження та нагріву.
• У умовах високих температур охолодження за допомогою теплообмінників із термостатуванням підтримує температуру акумулятора на рівні 25–35 °C.
• У умовах низьких температур нагрівач PTC із теплообмінником підігріває акумулятори та підтримує їхню температуру вище 5 °C. Зокрема, перед заряджанням акумулятор підігрівається до температури вище 5 °C, що дозволяє проходити процесу інтеркаляції літію.

Це значно підвищує термін служби й надійність систем у разі екстремальних температурних умов.

3. Застосування стратегій подовження терміну експлуатації в промислових і комерційних системах накопичення енергії

Щодо сталого використання енергії в промислових і комерційних сценаріях, довговічні акумулятори — це лише частина рішення. Ключовим є поєднання управління акумуляторами та енергопостачанням. Це було підтверджено компанією Origotek Co., Ltd. на кількох прикладах використання клієнтами.

Наприклад, у проекті віртуальної електростанції з налаштовуваною системою накопичення енергії в провінції Шаньдонґ (10 МВт·год) оптимізація стратегій тривалості роботи акумуляторів дала суттєвий ефект. Завдяки інтелектуальній системі управління батареями (BMS) та системі контролю температури термін циклічного життя акумуляторів зберігається на рівні понад 90% від початкового стану після 2 років (понад 1500 циклів). Ефективність диспетчеризації енергії клієнта покращилася на 15%, а загальна вартість заміни акумуляторів скоротилася майже на 40%.

У іншому проекті зі згладжування піків навантаження в Тяньджині для виробничого підприємства наші промислові та комерційні продукти для зберігання енергії четвертого покоління змінили режими зарядки та розрядки залежно від графіка виробництва підприємства, що допомогло успішно підтримати енергетичну трансформацію. Батарейна система стабільно працює вже 4 роки та безперебійно підтримує зусилля підприємства з енергетичної трансформації.

Висновок

Циклічний ресурс літій-іонних акумуляторів досягається шляхом інтеграції передових технологій матеріалів, впровадження розумних систем управління та врахування всіх екологічних чинників. З практичної точки зору, зниження вартості накопичення енергії та подовження терміну служби акумуляторів є взаємовигідним для промислових і комерційних підприємств у межах екосистеми.

На ринку накопичення енергії для промислового та комерційного використання компанія The Origotek Co., Ltd продовжуватиме активно застосовувати набуті знання та експертний досвід у сфері накопичення енергії, зосереджуючись на розробці спеціалізованих рішень для оптимізації продуктивності акумуляторів у відповідності з оновленням систем накопичення енергії четвертого покоління. Ми й надалі будемо допомагати нашим клієнтам у промислових і комерційних галузях із системами накопичення енергії на шляху інвестування в енергетичну сталість та у суспільствах розвиваючих країн.