Co to jest technologia baterii litowych?

Baterie litowe wyróżniają się na tle innych akumulatorów ze względu na wysoką gęstość energii i niski koszt cyklu. Jednak „bateria litowa” jest terminem niejednoznacznym. Istnieje około sześciu typowych składów chemicznych baterii litowych, a każdy z nich ma swoje unikalne zalety i wady. W zastosowaniach związanych z energią odnawialną dominuje chemia Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4) . Ta chemia charakteryzuje się doskonałym bezpieczeństwem, dużą stabilnością termiczną, wysokimi wartościami prądu, długą żywotnością i tolerancją na nadużycia.

Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4) jest wyjątkowo stabilnym związkiem chemicznym litu w porównaniu do prawie wszystkich innych związków chemicznych litu. Bateria jest zmontowana z naturalnie bezpiecznego materiału katodowego (fosforan żelaza). W porównaniu do innych związków litowych, fosforan żelaza zapewnia silne wiązanie molekularne, które wytrzymuje ekstremalne warunki ładowania, wydłuża żywotność cyklu i utrzymuje integralność chemiczną przez wiele cykli. To właśnie zapewnia tym akumulatorom doskonałą stabilność termiczną, długą żywotność i tolerancję na nadużycia. akumulatory LiFePO4 nie są podatne na przegrzanie ani nie są podatne na „niestabilność termiczną”, dlatego nie przegrzewają się ani nie zapalają w przypadku rygorystycznego nieprawidłowego obchodzenia się lub trudnych warunków środowiskowych.

W przeciwieństwie do zalanych akumulatorów kwasowo-ołowiowych i innych akumulatorów, akumulatory litowe nie wydzielają niebezpiecznych gazów, takich jak wodór i tlen. Nie ma również niebezpieczeństwa narażenia na żrące elektrolity, takie jak kwas siarkowy lub wodorotlenek potasu. W większości przypadków akumulatory te można przechowywać w zamkniętych pomieszczeniach bez ryzyka wybuchu, a prawidłowo zaprojektowany system nie powinien wymagać aktywnego chłodzenia ani wentylacji.

Baterie litowe to zespół składający się z wielu ogniw, podobnie jak akumulatory ołowiowo-kwasowe i wiele innych typów akumulatorów. Akumulatory kwasowo-ołowiowe mają napięcie nominalne 2 V/ogniwo, natomiast ogniwa akumulatorów litowych mają napięcie nominalne 3,2 V. Dlatego, aby uzyskać akumulator 12 V, zazwyczaj będziesz mieć cztery ogniwa połączone szeregowo. Spowoduje to, że napięcie nominalne a LiFePO4 12,8 V . Osiem ogniw połączonych szeregowo tworzy a Bateria 24V o napięciu nominalnym 25,6 V i szesnastu ogniwach połączonych szeregowo tworzy a Bateria 48V o napięciu nominalnym 51,2 V. Napięcia te działają bardzo dobrze z typowymi Falowniki 12V, 24V i 48V .

Baterie litowe są często używane jako bezpośredni zamiennik akumulatorów kwasowo-ołowiowych, ponieważ mają bardzo podobne napięcia ładowania. Czterokomórkowy Bateria LiFePO4 (12,8 V), będzie zazwyczaj mieć maksymalne napięcie ładowania pomiędzy 14,4-14,6 V (w zależności od zaleceń producentów). Wyjątkowość baterii litowej polega na tym, że nie wymaga ona ładowania absorpcyjnego ani utrzymywania jej w stanie stałego napięcia przez dłuższy czas. Zwykle, gdy akumulator osiągnie maksymalne napięcie ładowania, nie trzeba go już ładować. Charakterystyka rozładowania akumulatorów LiFePO4 jest również wyjątkowa. Podczas rozładowywania akumulatory litowe będą utrzymywać znacznie wyższe napięcie niż akumulatory kwasowo-ołowiowe, które zwykle będą pod obciążeniem. Nierzadko zdarza się, że bateria litowa spada jedynie o kilka dziesiątych wolta od pełnego naładowania do 75% rozładowania. Może to utrudniać określenie, ile pojemności zostało wykorzystane bez sprzętu monitorującego akumulator.

Istotną przewagą akumulatorów litowych nad akumulatorami kwasowo-ołowiowymi jest to, że nie ulegają one deficytom cyklicznym. Zasadniczo ma to miejsce wtedy, gdy akumulatorów nie można w pełni naładować przed ponownym rozładowaniem następnego dnia. Jest to bardzo duży problem w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych i może powodować znaczną degradację płyty, jeśli jest wielokrotnie poddawany takim cyklom. Akumulatory LiFePO4 nie wymagają regularnego pełnego ładowania. W rzeczywistości możliwe jest nieznaczne wydłużenie ogólnej żywotności poprzez niewielkie częściowe naładowanie zamiast pełnego naładowania.

Efektywność jest bardzo ważnym czynnikiem przy projektowaniu elektrycznych systemów fotowoltaicznych. Sprawność w obie strony (od pełnego do rozładowanego i z powrotem do pełnego) przeciętnego akumulatora kwasowo-ołowiowego wynosi około 80%. Inne chemie mogą być jeszcze gorsze. Efektywność energetyczna akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego w obie strony wynosi ponad 95–98%. Samo to stanowi znaczną poprawę w przypadku systemów pozbawionych energii słonecznej w okresie zimowym, a oszczędności paliwa wynikające z ładowania generatora mogą być ogromne. Etap ładowania absorpcyjnego w akumulatorach kwasowo-ołowiowych jest szczególnie nieefektywny, co skutkuje wydajnością na poziomie 50% lub nawet mniejszą. Biorąc pod uwagę, że baterie litowe nie pochłaniają ładunku, czas ładowania od całkowitego rozładowania do całkowitego naładowania może wynosić zaledwie dwie godziny. Należy również pamiętać, że bateria litowa może ulec niemal całkowitemu rozładowaniu zgodnie z wartościami znamionowymi, bez znaczących negatywnych skutków. Ważne jest jednak, aby upewnić się, że poszczególne ogniwa nie ulegają nadmiernemu rozładowaniu. To jest zadanie integry System zarządzania baterią (BMS) .

Bezpieczeństwo i niezawodność akumulatorów litowych są bardzo istotne, dlatego wszystkie zespoły powinny być wyposażone w zintegrowane akumulatory System zarządzania baterią (BMS) . BMS to system monitorujący, oceniający, równoważący i chroniący komórki przed działaniem poza „bezpiecznym obszarem działania”. BMS jest niezbędnym elementem zapewniającym bezpieczeństwo systemu baterii litowych, monitorującym i chroniącym ogniwa baterii przed nadmiernym prądem, zbyt niskim lub zbyt wysokim napięciem, zbyt niską lub zbyt wysoką temperaturą i nie tylko. Ogniwo LiFePO4 zostanie trwale uszkodzone, jeśli napięcie ogniwa kiedykolwiek spadnie poniżej 2,5 V, zostanie również trwale uszkodzone, jeśli napięcie ogniwa wzrośnie powyżej 4,2 V. BMS monitoruje każde ogniwo i zapobiega uszkodzeniu ogniw w przypadku zbyt niskiego lub zbyt wysokiego napięcia.

Kolejnym istotnym obowiązkiem BMS jest zrównoważenie pakietu podczas ładowania, gwarantujące pełne naładowanie wszystkich ogniw bez przeładowania. Ogniwa akumulatora LiFePO4 nie równoważą się automatycznie po zakończeniu cyklu ładowania. Występują niewielkie różnice w impedancji ogniw, dlatego żadne ogniwo nie jest w 100% identyczne. Dlatego po cyklu niektóre ogniwa zostaną w pełni naładowane lub rozładowane wcześniej niż inne. Wariancja między komórkami znacznie wzrośnie z czasem, jeśli komórki nie będą zrównoważone.

W akumulatory kwasowo-ołowiowe , prąd będzie płynął nawet wtedy, gdy jedno lub więcej ogniw będzie w pełni naładowanych. Jest to wynikiem elektroliza zachodząca w akumulatorze, rozkład wody na wodór i tlen. Prąd ten pomaga w pełni naładować inne ogniwa, w ten sposób naturalnie równoważąc ładunek na wszystkich ogniwach. Jednakże w pełni naładowane ogniwo litowe będzie miało bardzo dużą rezystancję i będzie przepływać bardzo mały prąd. Opóźnione ogniwa nie będą zatem w pełni naładowane. Podczas równoważenia BMS będzie przykładał niewielkie obciążenie do w pełni naładowanych ogniw, zapobiegając ich przeładowaniu i pozwalając innym ogniwom nadrobić zaległości.

Baterie litowe oferują wiele korzyści w porównaniu z innymi rodzajami baterii. Stanowią bezpieczne i niezawodne rozwiązanie akumulatorowe, niewymagające obawy przed niekontrolowaną temperaturą i/lub katastrofalnym stopieniem, co jest istotną możliwością w przypadku innych typów akumulatorów litowych. Baterie te zapewniają wyjątkowo długą żywotność, a niektórzy producenci gwarantują nawet 10 000 cykli. Dzięki wysokim współczynnikom rozładowania i ładowania powyżej C/2 w trybie ciągłym oraz wydajności w obie strony dochodzącej do 98% nic dziwnego, że akumulatory te zyskują popularność w branży. Fosforan litowo-żelazowy (LiFePO4) jest doskonały rozwiązanie do magazynowania energii .