Como a temperatura afeta a seleção de baterias solares de íon de lítio?

Baterias solares de íon de lítio são utilizados principalmente no setor residencial e para armazenamento de energia comercial e industrial, ajudando os proprietários de residências ou empresas a expandir a sua utilização fotovoltaica (PV), a poupar dinheiro nas suas contas de eletricidade ou a fornecer energia de reserva em caso de interrupção da rede. À medida que os preços dos materiais caem e as baterias de lítio se tornam mais populares, as baterias de iões de lítio estão a substituir o chumbo-ácido no mercado de armazenamento de energia solar.

Dois tipos de íons de lítio usados ​​em baterias solares de lítio

Para fabricantes de baterias solares de íons de lítio, dois tipos comuns de baterias de íons de lítio são normalmente usados: baterias ternárias de íons de lítio (NMC) de lítio-níquel-manganês-cobalto e baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP), que são os principais players no mercado. Embora ambos os tipos de baterias sejam baseados no princípio operacional da troca de íons de lítio, eles têm desempenhos e características significativamente diferentes.

A densidade de energia é um indicador importante para avaliar o desempenho da bateria. De modo geral, quanto maior a densidade de energia, mais energia a bateria pode suportar por unidade de peso ou volume e maior será o alcance. o LFP tem uma densidade de energia de cerca de 140 Wh/kg. o NMC tem uma densidade energética de basicamente 240 kWh/kg. isto é, sob o mesmo peso, a densidade de energia do NMC é 1,7 vezes maior que a do LFP. Isto significa que uma bateria solar NMC instalada no mesmo espaço funcionará mais do que uma bateria solar LFP.

Três fatores principais afetam a vida operacional das baterias solares de íons de lítio: o número de ciclos de carga/descarga, a duração do uso e a temperatura média da bateria. O maior fator que afeta a vida útil de uma bateria de íons de lítio é a temperatura média da bateria, seguida pela profundidade da descarga. Normalmente medimos a eficácia de uma bateria comparando sua capacidade real com sua capacidade original. Antes de atingir 80% de sua capacidade original, as baterias solares LFP podem realizar pelo menos 2.000 a 3.000 ciclos completos de carga/descarga, enquanto as baterias NMC podem realizar apenas 500 a 1.000 ciclos completos de carga/descarga, o que significa que Baterias solares LFP têm um ciclo de vida muito mais longo, normalmente superior a 10 anos.

Segurança de baterias de íon de lítio

Ao contrário das baterias NMC, as baterias LFP não se degradam em altas temperaturas devido ao seu material catódico mais seguro. Em comparação com as baterias NMC, as baterias LFP oferecem a maior estabilidade térmica e química, bem como a menor quantidade de energia liberada durante a fuga térmica. Eles só irão descontrolar-se termicamente a 195°C e liberarão a menor quantidade de energia. Por outro lado, as baterias NMC podem atingir temperaturas de fuga térmica de 170°C, liberando mais energia e possivelmente pegando fogo se não forem controladas. Apesar de todas as baterias de íons de lítio serem seguras, as baterias solares LFP estão entre os dispositivos de armazenamento de energia mais seguros disponíveis.

Temperatura e Descarga

Dependendo da aplicação de armazenamento de energia residencial, existem dois usos comuns para baterias solares de íons de lítio. A primeira é como fonte de energia de reserva, onde o requisito de manter cargas críticas em funcionamento durante uma interrupção da rede exige a mudança imediata para energia de bateria solar, caso em que a bateria de armazenamento precisa suportar altas correntes e altos picos de energia da carga. O segundo cenário é armazenar energia dos painéis fotovoltaicos ou da rede durante o dia e depois descarregá-la para a carga durante a noite, o que normalmente requer que a bateria seja capaz de fornecer energia durante pelo menos 6 a 8 horas.

As baterias Li-FePO4 têm uma resistência interna muito baixa e podem suportar altas taxas de descarga sem gerar muito calor, mas as baterias NMC têm uma resistência interna cerca de 10 vezes maior que a das baterias LFP, portanto, mais calor é gerado dentro do NMC. baterias quando descarregadas na mesma taxa. Por exemplo, uma bateria NMC de 48 V 50 Ah (2,4 kWh) pode fornecer uma corrente de descarga de 50-100 A, enquanto uma LFP pode fornecer uma corrente de descarga de 500-1000 A.

Resfriamento Passivo ou Ativo

O terceiro fator que afeta a vida útil de uma bateria de íons de lítio é a temperatura ambiente. Em aplicações de mercado para baterias de íon-lítio, as baterias são resfriadas de diversas maneiras, desde resfriamento passivo (sem ventilador), até resfriamento ativo (ventilador funcionando continuamente) e resfriamento ativo dinâmico (ventilador de velocidade variável) para gerenciar a temperatura da bateria. Enquanto o armazenamento de energia residencial normalmente utiliza resfriamento passivo, as baterias de íons de lítio podem operar com segurança de -20°C a 60°C, mas a faixa de temperatura ideal para maximizar a vida útil da bateria é de 10°C a 30°C. Descargas de alta corrente geram calor dentro da bateria, mas um ambiente de temperatura estável pode maximizar a vida útil da bateria.

É importante notar que com base na química e na maior impedância das baterias NMC, elas geram mais calor quando descarregadas em comparação com as baterias LFP. Como a segurança é uma questão fundamental para baterias de íons de lítio em armazenamento de energia aplicações, a boa estabilidade térmica das baterias solares LFP tem sido segura e ecologicamente correta para dar-lhes uma vantagem em aplicações de armazenamento de energia.

Portanto, para garantir o fornecimento de energia suficiente para a carga, na aplicação real pode ser necessário colocar em paralelo mais módulos de bateria NMC para atender à corrente necessária, mas um pequeno número de baterias LFP pode atingir esse objetivo. Considerando os cenários de espaço e aplicação, as baterias NMC são mais adequadas para aplicações que podem suportar transferências de corrente mais baixas durante um período de descarga mais longo (ou seja, 1h50A), enquanto as baterias LFP também podem fornecer transferência de corrente mais alta durante um período de tempo mais curto (ou seja, 300A em 10min). ).

Vantagens do resfriamento ativo

Em geral, adicionar um ventilador a uma bateria para regulação térmica pode complicar o produto, mas pode trazer muitos benefícios para a bateria. Em algumas aplicações com ambientes climáticos adversos, a temperatura das baterias pode variar de muito fria e seca a muito quente e úmida. No caso de fuga térmica, a temperatura no interior da bateria com arrefecimento passivo aumenta mais rapidamente do que no exterior, criando pontos quentes e limitando a quantidade de corrente de descarga disponível, o que também pode causar o rápido envelhecimento das baterias solares de iões de lítio. O resfriamento ativo pode minimizar melhor a geração de calor durante o carregamento e descarregamento da bateria. Se todas as coisas forem iguais, o resfriamento ativo pode suportar melhores correntes de carga e descarga para baterias solares.

A estrutura interna da bateria contém mais metais, o que também pode causar curto-circuitos devido à condensação. Devido às diferenças de temperatura, o ar úmido pode condensar água nos componentes eletrônicos sensíveis dentro da bateria. Portanto, o resfriamento ativo também evita que a condensação dentro da bateria altere a função da bateria ou danifique os componentes da bateria. No mercado de armazenamento de energia comercial e industrial, onde o investimento inicial é maior, os fabricantes geralmente utilizam resfriamento a ar ou líquido para resfriamento ativo, a fim de evitar perdas econômicas e poluição ambiental causadas pela fuga térmica.

Em resumo, existem muitas baterias solares de íons de lítio no mercado. Antes de escolher o certo fabricante de bateria solar ou modelo, você deve conhecer a potência dessas baterias para avaliar a potência necessária para manter o funcionamento em seu armazenamento de energia residencial ou comercial e industrial, o tempo de execução necessário, para determinar o ambiente em que será operado, bem como para determinar o papel do calor. Com esses dados, é possível avaliar a química da bateria solar de íons de lítio, as características de resfriamento passivo e ativo e os principais recursos oferecidos pelas soluções disponíveis.