リチウム電池技術とは？

リチウム電池は、エネルギー密度が高く、サイクルあたりのコストが低いため、他の電池化学とは一線を画しています。しかし、「リチウム電池」はあいまいな用語です。リチウム電池には約 6 つの一般的な化学的性質があり、それぞれに独自の長所と短所があります。再生可能エネルギーのアプリケーションでは、主な化学物質は次のとおりです。 リン酸鉄リチウム (LiFePO4) .この化学的性質は、優れた熱安定性、高い電流定格、長いサイクル寿命、および乱用に対する耐性を備えた優れた安全性を備えています。

リン酸鉄リチウム (LiFePO4) 他のほとんどすべてのリチウム化学と比較すると、非常に安定したリチウム化学です。バッテリーは、自然に安全な正極材 (リン酸鉄) で組み立てられています。他のリチウム化学物質と比較して、リン酸鉄は強力な分子結合を促進し、極端な充電条件に耐え、サイクル寿命を延ばし、多くのサイクルにわたって化学的完全性を維持します.これが、これらのバッテリーに優れた熱安定性、長いサイクル寿命、および乱用に対する耐性を与えるものです。 LiFePO4 電池 過熱する傾向がなく、「熱暴走」する傾向もないため、厳密な取り扱いミスや過酷な環境条件にさらされても、過熱したり発火したりしません。

水浸しの鉛酸やその他の電池の化学的性質とは異なり、リチウム電池は水素や酸素などの危険なガスを排出しません。また、硫酸や水酸化カリウムなどの苛性電解質にさらされる危険もありません。ほとんどの場合、これらのバッテリーは爆発の危険なしに密閉された場所に保管することができ、適切に設計されたシステムは積極的な冷却や換気を必要としません。

リチウム電池は、鉛蓄電池や他の多くの種類の電池と同様に、多くのセルで構成されるアセンブリです。鉛酸バッテリーの公称電圧は 2V/セルですが、リチウム バッテリー セルの公称電圧は 3.2V です。したがって、12V のバッテリーを実現するには、通常、4 つのセルを直列に接続します。これにより、公称電圧が LiFePO4 12.8V .直列に接続された8つのセルが 24Vバッテリー 公称電圧が 25.6V で、16 個のセルを直列に接続すると、 48Vバッテリー 公称電圧は 51.2V です。これらの電圧は、典型的な 12V、24V、および 48V インバーター .

リチウム電池は、充電電圧が非常に似ているため、鉛蓄電池を直接置き換えるためによく使用されます。4セル LiFePO4 バッテリー (12.8V)、 通常、最大充電電圧は 14.4 ～ 14.6 V です (メーカーの推奨事項によって異なります)。リチウム電池の特徴は、吸収充電を必要とせず、一定の電圧状態を長時間維持する必要がないことです。通常、バッテリーが最大充電電圧に達すると、充電する必要がなくなります。LiFePO4 バッテリーの放電特性も独特です。放電中、リチウム電池は、負荷がかかった状態での鉛蓄電池よりもはるかに高い電圧を維持します。リチウム電池がフル充電から 75% 放電するまで、0.数ボルトしか低下しないことは珍しくありません。これにより、バッテリー監視装置がないと、どれだけの容量が使用されたかを判断することが難しくなります。

鉛蓄電池に対するリチウムの重要な利点は、赤字サイクルに悩まされないことです。基本的に、これは、翌日再び放電する前にバッテリーを完全に充電できない場合です。これは鉛蓄電池の非常に大きな問題であり、この方法で繰り返しサイクルすると、プレートの大幅な劣化を促進する可能性があります。LiFePO4 バッテリーは定期的にフル充電する必要はありません。実際、フル充電の代わりにわずかな部分充電を行うことで、全体的な平均寿命をわずかに改善することができます。

太陽光発電システムを設計する場合、効率は非常に重要な要素です。平均的な鉛蓄電池の往復効率 (フルからデッド、フルに戻る) は約 80% です。他の化学物質はさらに悪化する可能性があります。リン酸鉄リチウム電池の往復エネルギー効率は 95 ～ 98% です。これだけでも、冬の間太陽光発電が不足しているシステムにとって大きな改善であり、発電機の充電による燃料の節約は途方もない可能性があります.鉛蓄電池の吸収充電段階は特に効率が悪く、効率は 50% またはそれ以下になります。リチウム電池は電荷を吸収しないため、完全放電から完全充電までの充電時間はわずか 2 時間です。リチウム電池は、重大な悪影響を与えることなく、定格どおりにほぼ完全に放電できることに注意することも重要です。ただし、個々のセルが過放電しないようにすることが重要です。これが統合の仕事です バッテリー管理システム (BMS) .

リチウム電池の安全性と信頼性は大きな懸念事項であるため、すべてのアセンブリを統合する必要があります。 バッテリー管理システム (BMS) .BMS は、セルが「安全な動作領域」の外で動作するのを監視、評価、バランス、および保護するシステムです。BMS は、リチウム バッテリ システムに不可欠な安全コンポーネントであり、バッテリ内のセルを監視し、過電流、過小/過電圧、過小/過熱などから保護します。LiFePO4 セルは、セルの電圧が 2.5V 未満に低下すると永久的な損傷を受けます。また、セルの電圧が 4.2V 以上に上昇すると、永久的な損傷を受けます。BMS は各セルを監視し、電圧不足/過電圧の場合にセルへの損傷を防ぎます。

BMS のもう 1 つの重要な役割は、充電中にパックのバランスを取り、過充電することなくすべてのセルが完全に充電されるようにすることです。LiFePO4 バッテリーのセルは、充電サイクルの最後に自動的にバランスが取れません。セルのインピーダンスにはわずかな変動があるため、100% 同一のセルはありません。したがって、サイクルすると、一部のセルは他のセルよりも早く完全に充電または放電されます。セルのバランスが取れていない場合、セル間の差異は時間の経過とともに大幅に増加します。

の 鉛蓄電池 1 つ以上のセルが完全に充電されていても、電流は流れ続けます。これは バッテリー内で電気分解が行われ、水が水素と酸素に分解されます。この電流は、他のセルを完全に充電するのに役立ち、自然にすべてのセルの充電のバランスをとります。ただし、完全に充電されたリチウム電池は抵抗が非常に高く、電流はほとんど流れません。したがって、遅れているセルは完全には充電されません。バランス調整中、BMS は完全に充電されたセルに小さな負荷を加え、過充電を防ぎ、他のセルが追いつくようにします。

リチウム電池は、他の電池化学に比べて多くの利点を提供します。これらは安全で信頼性の高いバッテリー ソリューションであり、熱暴走や破滅的なメルトダウンの心配がありません。これは、他の種類のリチウム バッテリーに見られる重大な可能性です。これらのバッテリーは非常に長いサイクル寿命を提供し、一部のメーカーは最大 10,000 サイクルのバッテリーを保証しています。連続 C/2 以上の高い放電率と再充電率、最大 98% の往復効率により、これらのバッテリーが業界内で勢いを増しているのも不思議ではありません。 リン酸鉄リチウム (LiFePO4) 完璧です エネルギー貯蔵ソリューション .