W trakcie przyspieszenia globalnego przejścia do czystej energii znaczenie systemów magazynowania energii jako kluczowego ogniwa w równowadze podaży energii i popytu oraz poprawa stabilności mocy staje się coraz bardziej widoczne. Akumulatory litowe, z zaletami wysokiej gęstości energii, długiej żywotności cyklu i niskiej prędkości samowystarczalności, stały się technologią głównego nurtu w dziedzinie magazynowania energii. Dzięki ciągłym innowacjom w zakresie materiałów materiałowych i procesów produkcyjnych nadal osiągają przełom wydajności i wstrzykują silny impuls do rozwoju branży magazynowania energii.
1 Innowacja materialna napędza poprawę wydajności
(1) Transformacja dodatnich materiałów elektrody rozszerza górną granicę gęstości energii
Baterie litowe wczesnego magazynowania energii często wykorzystywały fosforan żelaza litowego (LFP) jako dodatni materiał elektrody, który ma wysoki bezpieczeństwo i długą żywotność cyklu, ale jego gęstość energii jest stosunkowo niska, ograniczając ogólną pojemność systemu magazynowania energii. W ostatnich latach pojawiły się wysokie materiały trójskładnikowe niklu, takie jak NCM811 i NCA, znacznie poprawiając gęstość energii akumulatorów o wyższej zawartości niklu, osiągając 200-300 WH\/kg, który jest około 50-100% wyższej niż tradycyjne materiały fosforanowe z żelaza litowego. Jednak wysokie nikielne materiały trójskładnikowe stanowią wyzwania pod względem bezpieczeństwa i stabilności termicznej. W tym celu naukowcy skutecznie poprawili stabilność strukturalną i zwiększyły bezpieczeństwo materiałów poprzez powłokę powierzchniową, domieszkowanie pierwiastków i inne zabiegi modyfikacyjne. Na przykład powlekanie powierzchni materiału NCM811 warstwą tlenku glinu (AL ₂ O3) może stłumić przejście fazy strukturalnej materiału podczas ładowania i rozładowywania, zmniejszyć ryzyko ucieczki termicznej oraz poprawić bezpieczeństwo i wydajność akumulatora w środowisku wysokiej temperatury.
Jednocześnie materiał fosforanu żelaza litowego (LMFP), jako powstający materiał elektrody dodatniej, łączy bezpieczeństwo fosforanu żelaza litowego z wysokim właściwościami napięcia tlenku litu manganu. Teoretyczna gęstość energii może przekraczać 200 WH\/kg i oczekuje się, że poprawia gęstość energii przy jednoczesnym zachowaniu przewagi kosztowej i bezpieczeństwa fosforanu żelaza litowego, stając się ważnym kierunkiem rozwoju dodatnich materiałów elektrod w przyszłych akumulatorach litowych.
(2) Uaktualnianie negatywnych materiałów elektrodowych w celu zoptymalizowania kompleksowej wydajności baterii
Tradycyjne grafitowe materiały elektrod ujemnych są szeroko stosowane w akumulatorach litowych ze względu na ich obfite rezerwy, niski koszt i niski potencjał wstawienia litu. Jednak jego teoretyczna pojemność specyficzna wynosi tylko 372 mAh\/g, co trudno jest zaspokoić dalsze zapotrzebowanie na wysoką gęstość energii w systemach magazynowania energii. Materiały na bazie krzemu, jako nowa generacja materiałów elektrodowych, mają teoretyczną pojemność specyficzną do 4200 mAh\/g, co jest ponad 10 razy większe niż grafit i stała się hotspotem badawczym. Jednak materiały na bazie krzemowe ulegają znacznej rozszerzeniu objętości (do 300% -400%) podczas procesu ładowania i rozładowania, co prowadzi do sproszkowania materiału i uszkodzenia struktury elektrody, wpływając w ten sposób na żywotność cyklu akumulatora. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy przygotowali krzemowe materiały kompozytowe węglowe poprzez równomierne rozproszenie cząstek nano krzemu w matrycy węglowej, wykorzystując elastyczność materiałów węglowych do buforowania zmiany objętości krzemu i zwiększenie przewodności materiału. Na przykład krzemowy kompozytowy materiał elektrody z kompozytem z kompozytem wytworzonym metodą osadzania pary chemicznej może osiągnąć żywotność cyklu wynoszącą ponad 1000 razy, zapewniając jednocześnie wysoką pojemność specyficzną, znacznie poprawiając ogólną wydajność akumulatora. Ponadto materiał elektrody ujemnej litu (LTO) był szeroko stosowany w scenariuszach magazynowania energii z wyjątkowo wysokimi wymaganiami dotyczącymi bezpieczeństwa i żywotności cyklu ze względu na doskonałą wydajność bezpieczeństwa, szybkiego ładowania i rozładowywania oraz żywotności ultra długiego cyklu (do 10000 razy lub więcej). Jednak jego gęstość energii jest stosunkowo niska, około 120-180 WH\/kg, co ogranicza promocję na dużą skalę. Konieczne są dalsze wysiłki w celu poprawy jego wydajności poprzez optymalizację struktury materiałowej i inne środki.
2 Optymalizacja procesów produkcyjnych w celu poprawy jakości baterii
(1) Ulepszenie procesu przygotowania elektrody zwiększa spójność baterii
Przygotowanie elektrody jest kluczowym krokiem w produkcji akumulatorów litowych, a jego poziom technologiczny bezpośrednio wpływa na spójność wydajności baterii. Tradycyjny proces powlekania elektrod ma problemy, takie jak nierównomierna grubość powłoki i niespójny rozkład cząstek, co powoduje różne szybkości reakcji w różnych częściach akumulatora podczas ładowania i rozładowywania, wpływając na ogólną wydajność i żywotność baterii. W ostatnich latach, wraz z rozwojem wysokich procesów powłok, takich jak powłoka szczelinowa i powłoka przenoszenia, można osiągnąć precyzyjną kontrolę grubości powłoki elektrody, przy odchyleniach kontrolowanych w granicach ± 2 μm, skutecznie poprawiając jednolitość i spójność powłok elektrod. Jednocześnie przyjmuje się zaawansowane technologie toczenia w celu precyzyjnie kontrolujących parametry, takie jak ciśnienie i prędkość toczenia, które mogą ścisnąć rozmieszczenie cząstek materiału elektrody, poprawić gęstość zagęszczania elektrody, a tym samym zwiększyć gęstość energii akumulatora. Na przykład na dużą linię do magazynowania energii litowo-baterii wykorzystanie powłoki szczelinowej i wysokiej precyzyjnej technologii prasowania bułki zwiększyło gęstość energii baterii o 10%-15%, a odchylenie spójności pojemności tej samej partii baterii było mniejsze niż 1%, co znacznie poprawia stabilność i niezawodność systemu magazynowania energii.
(2) Technologia zespołu baterii i opakowania zapewnia bezpieczeństwo baterii
Proces montażu baterii i pakowania ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa i żywotności baterii litowych. W procesie montażu akumulatora wprowadza się automatyczną technologię spawania laserowego. W porównaniu z tradycyjnym spawaniem oporności spawanie laserowe ma zalety wąskiego szwu spawania, małej strefy dotkniętej ciepłem i wysokiej wytrzymałości spawania. Może osiągnąć wysokiej jakości połączenie między zaciskami akumulatorów i szynami, zmniejszyć odporność kontaktową, zmniejszyć zjawisko ogrzewania akumulatorów podczas ładowania i rozładowywania oraz poprawić bezpieczeństwo baterii. W procesie opakowania materiały o wysokiej barierce i zaawansowane techniki uszczelnienia, takie jak technologia opakowań z kompozytów z kompozytów z kompozytów glinu, są wykorzystywane do skutecznego zapobiegania zewnętrznym zanieczyszczeniom, takim jak wilgoć i tlen, wchodzenie do akumulatora, unikając korozji, obrzęku i innych problemów oraz przedłużenia żywotności serwisowej baterii. Ponadto niektóre wysokiej jakości akumulatory litowe magazynowania energii integrują również temperaturę, ciśnienie i inne czujniki wewnątrz opakowania w celu monitorowania wewnętrznego stanu akumulatora w czasie rzeczywistym. Po wystąpieniach nieprawidłowości można w odpowiednim czasie podjąć środki ochronne w celu dalszego zwiększenia bezpieczeństwa baterii.
3 Inteligentne uaktualnienie systemu zarządzania akumulatorami
(1) Dokładne monitorowanie i sterowanie zwiększają wydajność baterii
System zarządzania akumulatorami (BMS), jako „mózg” akumulatorów litowych, odgrywa kluczową rolę w systemach magazynowania energii. Nowa generacja BMS przyjmuje bardzo precyzyjne czujniki i zaawansowane algorytmy, które mogą monitorować kluczowe parametry, takie jak napięcie akumulatora, prąd, temperatura, stan ładunku (SOC) i stan zdrowia (SOH) w czasie rzeczywistym i dokładnie. Na przykład, stosując algorytm filtrowania Kalmana do przetwarzania napięcia akumulatora i bieżących danych, dokładność oszacowania SOC można poprawić do ± 3%, zapewniając dokładną podstawę do ładowania baterii i kontroli rozładowywania. Jednocześnie BMS inteligentnie zarządza ładowaniem i rozładowywaniem akumulatorów na podstawie danych monitorowania, dynamicznie dostosowując prąd i napięcie ładowania w celu uniknięcia przeładowania i nadmiernego przeładunku, skutecznie rozszerzając żywotność cyklu akumulatora. W dużej elektrowni do magazynowania energii przyjęcie inteligentnego BMS przedłużyło żywotność cyklu akumulatorów litowych o 20% -30%, zmniejszając koszty działania i konserwacji systemu magazynowania energii.
(2) System poprawy niezawodności do diagnozy uszkodzenia i wczesnego ostrzeżenia
Inteligentne BMS ma silną diagnozę uszkodzeń i funkcje ostrzegawcze. Poprzez dogłębną analizę danych dotyczących działania akumulatora potencjalne zagrożenia dla baterii można wykryć w odpowiednim czasie, a ostrzeżenia można wydać z wyprzedzeniem. Na przykład, używając algorytmów uczenia maszynowego do nauki i szkolenia historycznych danych baterii, można ustalić model prognozowania uszkodzeń baterii. Gdy bateria doświadcza nieprawidłowości, model może szybko określić rodzaj i nasilenie usterki, zapewniając dokładne informacje o diagnozowaniu uszkodzeń dla personelu obsługi i konserwacji, ułatwiając terminowe pomiary konserwacji i unikanie rozszerzenia błędu. Ponadto BMS może również wymieniać dane z platformą monitorowania systemu magazynowania energii, przesyłać informacje o stanie baterii w czasie rzeczywistym do chmury, a personel obsługi i konserwacji może wyświetlić status działania akumulatora w dowolnym czasie i w dowolnym miejscu za pośrednictwem aplikacji mobilnych lub terminali komputerowych, osiągając zdalne monitorowanie i zarządzanie oraz poprawić niezawodność i wydajność obsługi i konserwacji systemu przechowywania energii.