בתהליך האצת המעבר הגלובלי לאנרגיה נקייה, חשיבותן של מערכות אחסון אנרגיה כקישור מרכזי באיזון אספקת האנרגיה והביקוש ושיפור יציבות הכוח הופכת לבולטת יותר ויותר. סוללות ליתיום, עם היתרונות שלהן של צפיפות אנרגיה גבוהה, חיי מחזור ארוכים וקצב פריקה עצמית נמוכה, הפכו לטכנולוגיה המיינסטרים בתחום אחסון האנרגיה. עם החדשנות המתמשכת של מדעי החומרים ותהליכי הייצור, הם ממשיכים להשיג פריצות דרך וביצוע דחף חזק לפיתוח ענף אחסון האנרגיה.
חידוש חומרי 1 מניע את שיפור הביצועים
(1) טרנספורמציה של חומרי אלקטרודה חיוביים מרחיבה את הגבול העליון של צפיפות האנרגיה
סוללות ליתיום לאחסון אנרגיה מוקדמות השתמשו לעתים קרובות בפוספט ליתיום ברזל (LFP) כחומר האלקטרודה החיובי, שיש לו חיי בטיחות גבוהים וחיי מחזור ארוכים, אך צפיפות האנרגיה שלו נמוכה יחסית, מה שמגביל את הקיבולת הכוללת של מערכת אחסון האנרגיה. בשנים האחרונות צצו חומרים טרנריים גבוהים של ניקל כמו NCM811 ו- NCA, ומשפרים משמעותית את צפיפות האנרגיה של הסוללות עם תוכן ניקל גבוה יותר, והגיעו ל- 200-300 WH\/kg, העוסק ב 50-100% גבוה יותר מחומרי ליתיום פוספט מסורתיים. עם זאת, חומרים טרנריים בעלי ניקל גבוה מציבים אתגרים מבחינת הבטיחות והיציבות התרמית. לשם כך, החוקרים שיפרו ביעילות את היציבות המבנית ואת הבטיחות המשופרת של חומרים באמצעות ציפוי פני השטח, סמים אלמנטים וטיפולי שינוי אחרים. לדוגמה, ציפוי פני השטח של חומר NCM811 עם שכבה של תחמוצת אלומיניום (Al ₂ O3) יכול לדכא את המעבר המבני של החומר במהלך טעינה ופריקה, להפחית את הסיכון לברוח תרמי, ולשפר את ביצועי הבטיחות והרכיבה על הסוללה בסביבות גבוהות.
במקביל, חומר ליתיום מנגן ברזל פוספט (LMFP), כחומר אלקטרודה חיובי מתעורר, משלב את הבטיחות של פוספט ברזל ליתיום עם מאפייני המתח הגבוה של תחמוצת ליתיום מנגן. צפיפות האנרגיה התיאורטית יכולה לעלות על 200 ק"ס\/ק"ג, והיא צפויה לשפר את צפיפות האנרגיה תוך שמירה על היתרון והבטיחות של העלות של ליתיום ברזל פוספט, מה שהופך לכיוון פיתוח חשוב לחומרי אלקטרודה חיוביים בסוללות ליתיום לאחסון אנרגיה עתידי.
(2) שדרוג חומרי אלקטרודה שליליים כדי לייעל את הביצועים המקיפים של סוללות
חומרי אלקטרודה שליליים גרפיט מסורתיים נמצאים בשימוש נרחב בסוללות ליתיום בגלל עתודות השפע שלהן, עלות נמוכה ופוטנציאל החדרת ליתיום נמוך. עם זאת, יכולתו הספציפית התיאורטית היא רק 372mAh\/g, שקשה לעמוד בביקוש הנוסף לצפיפות אנרגיה גבוהה במערכות אחסון אנרגיה. לחומרים מבוססי סיליקון, כדור חדש של חומרי אלקטרודה שליליים, הם בעלי יכולת ספציפית תיאורטית של עד 4200mAh\/g, שהיא פי יותר פי 10 מזה של גרפיט והפכה לנקודה חמה מחקרית. עם זאת, חומרים מבוססי סיליקון עוברים התרחבות משמעותית בנפח (עד 300% -400%) במהלך תהליך הטעינה והפרקה, מה שמוביל לפתיחת חומרים ולנזק למבנה האלקטרודה, ובכך משפיעים על חיי מחזור הסוללה. כדי לפתור בעיה זו, החוקרים הכינו חומרים מורכבים של פחמן סיליקון על ידי פיזור חלקיקי סיליקון ננו באופן אחיד במטריקס פחמן, תוך שימוש בגמישות של חומרי פחמן כדי לאגר את שינוי הנפח של הסיליקון ולהעצים את המוליכות של החומר. לדוגמה, חומר האלקטרודה השלילית המורכבת מפחמן סיליקון שהוכן בשיטת תצהיר אדי כימי יכול להשיג חיי מחזור של יותר מ -1000 פעמים תוך הבטחת קיבולת ספציפית גבוהה, תוך שיפור משמעותי של הביצועים הכוללים של הסוללה. בנוסף, חומר האלקטרודה השלילי של ליתיום טיטנאט (LTO) נמצא בשימוש נרחב בתרחישים של אחסון אנרגיה עם דרישות גבוהות במיוחד לחיי בטיחות ומחזור בגלל ביצועי הבטיחות המצוינים שלו, ביצועי טעינה מהירה ופריקה, וחיי מחזור ארוכים במיוחד (עד 10000 פעמים ומעלה). עם זאת, צפיפות האנרגיה שלה נמוכה יחסית, בערך 120-180 WH\/kg, המגביל את הקידום הגדול שלו. יש צורך במאמצים נוספים כדי לשפר את ביצועיו באמצעות אופטימיזציה של מבנה חומרים ואמצעים אחרים.
2 מיטוב תהליכי ייצור לשיפור איכות הסוללה
(1) שיפור תהליך הכנת האלקטרודה משפר את עקביות הסוללה
הכנת האלקטרודה היא צעד מכריע בייצור סוללות ליתיום, והרמה הטכנולוגית שלה משפיעה ישירות על העקביות של ביצועי הסוללה. לתהליך ציפוי האלקטרודה המסורתי יש בעיות כמו עובי ציפוי לא אחיד וחלוקת חלקיקים לא עקביים, המביאים לשיעורי תגובה שונים בחלקים שונים של הסוללה במהלך טעינה ופריקה, ומשפיעים על הביצועים הכוללים ותוחלת החיים של הסוללה. בשנים האחרונות, עם פיתוח תהליכי ציפוי דיוק גבוה כמו ציפוי חריץ וציפוי העברה, ניתן להשיג בקרה מדויקת על עובי ציפוי האלקטרודה, כאשר סטיות נשלטות בתוך ± 2 מיקרומטר, תוך שיפור יעיל של האחידות והעקביות של ציפויי אלקטרודה. יחד עם זאת, טכנולוגיית גלגול מתקדמת מאומצת כדי לשלוט במדויק בפרמטרים כמו לחץ גלגול ומהירות, שיכולים לארגן בחוזקה חלקיקי חומר אלקטרודה, לשפר את צפיפות דחיסת האלקטרודה ובכך לשפר את צפיפות אנרגיית הסוללה. לדוגמה, על קו ייצור סוללות ליתיום לאחסון אנרגיה בקנה מידה גדול, השימוש בציפוי חריץ וטכנולוגיית לחיצה על דיוק גבוה הגביר את צפיפות האנרגיה של הסוללה ב -10%{}}}%, וסטיית עקביות הקיבולת של אותה אצווה של סוללות הייתה פחות מ- 1%, ומשפרת מאוד את היציבות ואמינות מערכת האחסון באנרגיה.
(2) טכנולוגיית הרכבת סוללות ואריזה מבטיחה בטיחות הסוללות
תהליך הרכבת הסוללות ואריזת האריזה הוא חיוני להבטיח את חיי הבטיחות והשירות של סוללות ליתיום. בתהליך הרכבת הסוללות מוצגת טכנולוגיית ריתוך לייזר אוטומטית. בהשוואה לריתוך התנגדות מסורתי, לריתוך לייזר יש יתרונות של תפר ריתוך צר, אזור קטן שנפגע בחום וכוח ריתוך גבוה. זה יכול להשיג חיבור איכותי בין מסופי סוללה לסרגל האוטובוסים, להפחית את עמידות המגע, להפחית את תופעת החימום של הסוללות במהלך טעינה ושחרור ולשפר את בטיחות הסוללות. בתהליך האריזה, משמשים חומרי מחסום גבוהים וטכניקות איטום מתקדמות, כמו טכנולוגיית אריזת סרטים מורכבת מאלומיניום-פלסטיק, למניעת יעילות של זיהומים חיצוניים כמו לחות וחמצן להיכנס לסוללה, הימנעות מקורוזיה, נפיחות ובעיות אחרות, והרחבת חיי השירות של הסוללה. בנוסף, כמה סוללות ליתיום לאחסון אנרגיה מתקדמת משלבות גם טמפרטורה, לחץ וחיישנים אחרים בתוך החבילה כדי לפקח על המצב הפנימי של הסוללה בזמן אמת. לאחר התרחשות חריגות, ניתן לנקוט באמצעי מגן במועד כדי לשפר עוד יותר את בטיחות הסוללות.
3 שדרוג אינטליגנטי של מערכת ניהול סוללות
(1) ניטור ובקרה מדויקים שיפור את ביצועי הסוללה
מערכת ניהול הסוללות (BMS), כ"מוח "של סוללות ליתיום, ממלאת תפקיד מכריע במערכות אחסון אנרגיה. הדור החדש BMS מאמצת חיישנים לדיוק גבוה ואלגוריתמים מתקדמים, שיכולים לפקח על פרמטרים עיקריים כמו מתח סוללה, זרם, טמפרטורה, מצב מטען (SOC) ומצב הבריאות (SOH) בזמן אמת ובמדויק. לדוגמה, על ידי שימוש באלגוריתם סינון קלמן לעיבוד מתח הסוללה ונתוני הנוכחים, ניתן לשפר את הדיוק של הערכת SOC לתוך ± 3%, ומספק בסיס מדויק לבקרת טעינה ופריקה של סוללות. במקביל, BMS מנהלת באופן מושכל את הטעינה והפרקה של סוללות על בסיס נתוני ניטור, תוך התאמה דינאמית של זרם הטעינה והמתח כדי להימנע מהטעינת יתר וחיזוק יתר, מה שמאריך למעשה את חיי מחזור הסוללה. בתחנת כוח גדולה לאחסון אנרגיה, אימוץ BMS אינטליגנטי הרחיב את חיי המחזור של סוללות ליתיום ב- 20% -30%, והפחתת עלויות התפעול והתחזוקה של מערכת אחסון האנרגיה.
(2) מערכת שיפור אמינות לאבחון תקלות ואזהרה מוקדמת
ל- BMS אינטליגנטי יש אבחון תקלות ותפקודי אזהרה עוצמתיים. באמצעות ניתוח מעמיק של נתוני פעולת הסוללה, ניתן לאתר סכנות תקלות פוטנציאליות של הסוללה במועד וניתן להוציא אזהרות מראש. לדוגמה, על ידי שימוש באלגוריתמים למידת מכונה כדי ללמוד ולהכשיר נתוני סוללה היסטוריים, ניתן לקבוע מודל חיזוי תקלות סוללה. כאשר הסוללה חווה חריגות, המודל יכול לקבוע במהירות את סוג החומרה של התקלה, לספק מידע על אבחון תקלות מדויק לאנשי פעולה ותחזוקה, להקל על אמצעי תחזוקה בזמן ולהימנע מהרחבת התקלה. בנוסף, BMS יכולה גם להחליף נתונים באמצעות פלטפורמת הניטור של מערכת אחסון האנרגיה, להעלות מידע על מצב סוללה בזמן אמת לענן, ואנשי תפעול ותחזוקה יכולים להציג את מצב פעולת הסוללה בכל עת ובכל מקום באמצעות אפליקציות ניידות או מסופי מחשב, השגת ניטור וניהול מרחוק, ושיפור האמינות והפעילות והיעילות של מערכת אחסון האנרגיה.