Hvordan påvirker temperaturen valget af lithium-ion solcellebatterier?

Lithium-ion solcellebatterier bruges primært i boligsektoren og til kommerciel og industriel energilagring, og hjælper husejere eller virksomheder med at udvide deres fotovoltaiske (PV) udnyttelse, spare penge på deres elregninger eller levere reservestrøm i tilfælde af strømafbrydelse. Efterhånden som materialepriserne falder, og lithiumbatterier bliver mere populære, erstatter lithium-ion-batterier blysyre på markedet for solenergilagring.

To typer lithium-ion brugt i lithium solcellebatterier

For producenter af lithium-ion-solbatterier anvendes typisk to almindelige typer lithium-ion-batterier: lithium-nikkel-mangan-kobolt ternære lithium-ion-batterier (NMC) og lithium-jernfosfat-batterier (LFP), som er store aktører i marked. Selvom begge typer batterier er baseret på lithium-ion-udvekslingsprincippet, har de nogle væsentligt forskellige ydeevner og egenskaber.

Energitæthed er en vigtig indikator for evaluering af batteriets ydeevne. Generelt kan man sige, at jo højere energitæthed, jo mere strøm kan batteriet holde pr. vægt- eller volumenhed, og jo længere rækkevidde. LFP har en energitæthed på omkring 140 Wh/kg. NMC har en energitæthed på som udgangspunkt 240 kWh/kg. det vil sige, under samme vægt er energitætheden af ​​NMC 1,7 gange højere end LFP'ens. Det betyder, at et NMC solcellebatteri installeret i samme rum vil køre længere end et LFP solbatteri.

Tre hovedfaktorer påvirker levetiden for lithium-ion solcellebatterier, antallet af opladnings-/afladningscyklusser, brugsvarigheden og batteriets gennemsnitlige temperatur. Den største faktor, der påvirker levetiden af ​​et Li-ion-batteri, er batteriets gennemsnitlige temperatur efterfulgt af afladningsdybden. Vi måler typisk effektiviteten af ​​et batteri ved at sammenligne dets faktiske kapacitet med dets oprindelige kapacitet. Før de når 80 % af deres oprindelige kapacitet, kan LFP-solbatterier udføre mindst 2.000 til 3.000 fulde opladnings-/afladningscyklusser, hvorimod NMC-batterier kun kan udføre 500 til 1.000 fulde opladnings-/afladningscyklusser, hvilket betyder, at LFP solcellebatterier har en meget længere cykluslevetid, typisk mere end 10 år.

Lithium-ion-batteriers sikkerhed

I modsætning til NMC-batterier nedbrydes LFP-batterier ikke ved høje temperaturer på grund af deres sikrere katodemateriale. I sammenligning med NMC-batterier tilbyder LFP-batterier den største termiske og kemiske stabilitet samt den laveste mængde energi, der frigives under termisk løb. De vil kun løbe termisk væk ved 195°C og vil frigive den mindste mængde energi. Omvendt kan NMC-batterier nå termiske runaway-temperaturer på 170°C, frigive mere energi og muligvis antænde, hvis de ikke kontrolleres. På trods af det faktum, at alle lithium-ion-batterier er sikre, er LFP-solbatterier blandt de sikreste energilagringsenheder, der findes.

Temperatur og afladning

Afhængigt af anvendelsen af ​​energilagring i boliger er der to almindelige anvendelser af lithium-ion solcellebatterier. Den første er som reservestrømkilde, hvor kravet om at holde kritiske belastninger kørende under en netafbrydelse kræver øjeblikkelig skift til solcellebatteri, i hvilket tilfælde akkumulatorbatteriet skal modstå høj strøm og høje strømstød fra belastningen. Det andet scenarie er at lagre strøm fra PV-paneler eller nettet i løbet af dagen og derefter aflade den til belastningen i løbet af natten, hvilket normalt kræver, at batteriet er i stand til at levere strøm i mindst 6-8 timer.

Li-FePO4-batterier har en meget lav indre modstand og kan modstå høje afladningshastigheder uden at generere for meget varme, men NMC-batterier har en indre modstand, der er omkring 10 gange højere end LFP-batterier, så der genereres mere varme inde i NMC'en batterier, når de aflades med samme hastighed. For eksempel kan et 48V 50Ah (2,4kWh) NMC-batteri give en afladningsstrøm på 50-100A, mens en LFP kan give en afladningsstrøm på 500-1000A.

Passiv eller aktiv køling

Den tredje faktor, der påvirker levetiden af ​​et lithium-ion batteri, er den omgivende temperatur. I markedsapplikationer til Li-Ion-batterier afkøles batterier på en række forskellige måder, lige fra passiv køling (ingen blæser) til aktiv køling (kontinuerligt kørende blæser) til dynamisk aktiv køling (ventilator med variabel hastighed) for at styre batteritemperaturen. Mens energilagring i boliger typisk bruger passiv køling, kan lithium-ion-batterier fungere sikkert fra -20°C til 60°C, men det optimale temperaturområde for at maksimere batteriets levetid er 10°C til 30°C. Højstrømsudladninger genererer varme inde i batteriet, men et stabilt temperaturmiljø kan maksimere batteriets levetid.

Det er vigtigt at bemærke, at baseret på kemien og højere impedans af NMC-batterier, genererer de mere varme, når de aflades sammenlignet med LFP-batterier. Da sikkerhed er et nøglespørgsmål for Li-ion-batterier i energilagring applikationer har den gode termiske stabilitet af LFP-solbatterier været sikker og miljøvenlig for at give dem en fordel i energilagringsapplikationer.

Så for at sikre tilstrækkelig strømforsyning til belastningen, kan det i den faktiske applikation være nødvendigt at parallelisere flere NMC-batterimoduler for at opfylde den nødvendige strøm, men et lille antal LFP-batterier kan nå dette mål. I betragtning af plads og anvendelsesscenarier er NMC-batterier mere velegnede til applikationer, der kan modstå lavere strømoverførsel over en længere afladningsperiode (dvs. 1h50A), mens LFP-batterier også kan give højere strømoverførsel over en kortere periode (dvs. 300A på 10min. ).

Fordele ved aktiv køling

Generelt kan det komplicere produktet at tilføje en blæser til et batteri for termisk regulering, men det kan give rigtig mange fordele for batteriet. I nogle applikationer med barske vejrmiljøer kan batterier variere i temperatur fra meget koldt og tørt til meget varmt og fugtigt. I tilfælde af termisk runaway stiger temperaturen inde i batteriet med passiv køling hurtigere end udenfor, hvilket skaber hot spots og begrænser mængden af ​​tilgængelig afladningsstrøm, hvilket også kan forårsage hurtig ældning af Li-ion solcellebatterier. Aktiv køling kan bedre minimere varmeudviklingen under batteriopladning og -afladning. Aktiv køling kan alt andet lige understøtte bedre lade- og afladningsstrømme til solcellebatterier.

Batteriets indre struktur indeholder flere metaller, som også kan forårsage kortslutninger på grund af kondens. På grund af temperaturforskelle kan fugtig luft kondensere vand på følsom elektronik inde i batteriet. Så aktiv køling forhindrer også kondens inde i batteriet i at ændre batterifunktionen eller beskadige batterikomponenter. På det kommercielle og industrielle marked for energilagring, hvor forudgående investering er højere, bruger producenter normalt luft- eller væskekøling til aktiv køling for at forhindre det økonomiske tab og miljøforurening forårsaget af termisk løb.

Sammenfattende er der mange lithium-ion solcellebatterier på markedet. Før du vælger det rigtige producent af solcellebatterier eller model, bør du kende kraften af ​​disse batterier for at vurdere den effekt, der kræves for at opretholde driften i deres boligenergilager eller kommercielle og industrielle energilager, den påkrævede driftstid, for at bestemme miljøet, hvor det vil blive brugt, samt for at bestemme varmens rolle. Med disse data er det muligt at evaluere lithium-ion-solbatteriets kemi, passive og aktive køleegenskaber og nøglefunktioner, der tilbydes af tilgængelige løsninger.