EN
Quick Links
Anoda unutar litij-ionske baterije obavlja prilično važne funkcije tijekom ciklusa punjenja i pražnjenja, a najčešće je napravljena od grafitnih ili silicijskih materijala. Grafit ostaje najčešće korišteni materijal za većinu anoda jer dobro funkcionira elektrokemijski i ne košta prepreviše. Ono što čini grafite posebnim jest njegova slojevita struktura koja omogućuje litijevim ionima da se lako uvlače i izvlače, čime se osigurava glatko funkcioniranje baterije. Silicij ima izvanredan potencijal za pohranu energije u usporedbi s grafitem, ali postoji problem. Kada silicij prolazi kroz cikluse punjenja, on se znatno širi, a ta ekspanzija može skratiti vijek trajanja baterije. Znanstvenici već godinama proučavaju taj problem. Nedavna istraživanja pokazala su da nanošenje silicijskih oksidnih prevlaka na grafitne anode pomaže u produženju vremena između punjenja, što znači bolje performanse cijelog baterijskog sustava tijekom vremena.
Vrsta katodnog materijala koja se koristi igra glavnu ulogu u određivanju koliko energije ionska litijeva baterija može pohraniti i koliko dobro podnosi toplinu. Dvije uobičajene opcije na tržištu danas su litijev kobalt oksid (LCO) i litijev željezni fosfat (LFP). Dok LCO baterijama omogućuje izvrsne sposobnosti pohrane energije, ona postaje problematična kad se stvari zagriju, što je u konačnici čini manje sigurnom. S druge strane, LFP materijali puno su sigurniji i bolje podnose toplinu, iako ne mogu postići istu razinu gustoće energije. Gledajući što se trenutno događa u baterijskom sektoru, mnogi proizvođači prelaze na NMC mješavine koje kombiniraju nikel, mangan i kobalt. Čini se da ovi materijali postižu dobar kompromis između izlazne snage i sigurnosnih značajki. Podaci iz industrije pokazuju da otprilike 30% svih baterija proizvedenih u svijetu sadrži neki oblik NMC sastava, što pokazuje da kompanije sve više cijene i poboljšanja učinka i pouzdane karakteristike upravljanja toplinom.
Elektroliti unutar litij-ionskih baterija u osnovi djeluju kao autocesta po kojoj ioni putuju naprijed-natrag između anodnih i katodnih materijala, što je nešto apsolutno nužno za dobar učinak baterije. Tijekom većine svoje povijesti, ove baterije oslanjale su se na tekuće elektrolite jer oni dobro vode ione. No, posljednjih godina rasla je zabrinutost oko sigurnosti – previše incidenta povezanih s curenjem baterija, pa čak i požarima, potaknula je istraživače da razviju krute alternativne elektrolite. Kruti elektroliti nude bolju sigurnost jer se ne zapaljuju lako, čime se smanjuju one opasne eksplozije baterijskih paketa o kojima povremeno čujemo. Nedavna istraživanja objavljena u časopisima poput Electrochimica Acta pokazuju da znanstvenici postižu napredak u pogledu poboljšanja vodljivosti ovih krutih tvari za ione i njihove ukupne stabilnosti. Ako se to ostvari, to bi moglo značiti sigurnije baterije za sve vrste uređaja, od pametnih telefona do električnih vozila, u narednim godinama.
Separatori unutar litij-ionskih baterija igraju ključnu ulogu u zaustavljanju kratkih spojeva stvaranjem barijere između anode i katode, a pritom i dalje dopuštaju prolazak iona. Tijekom posljednjih godina, dosta inovacija usmjereno je na poboljšanje učinaka i sigurnosti ovih separatora. Materijali poput opcija s keramičkim premazom nude znatno bolju otpornost na toplinu, što znači da ne propadaju lako kada temperature porastu. Prema nalazima objavljenim u Časopisu za membransku znanost, napredni separatori zapravo smanjuju unutarnji otpor unutar ćelije baterije. To vodi ne samo sigurnijem radu, već i boljoj učinkovitosti cijele baterije. Brojne studije to potvrđuju, pokazujući koliko je važno dobro projektiranje separatora za postizanje duljeg vijeka trajanja uređaja koji koriste litij-ionsku tehnologiju.
Razumijevanje načina na koji funkcioniraju serijski i paralelni povezani ćelije čini veliku razliku kada pokušavate maksimalno iskoristiti baterijske pakete. Kada se ćelije povežu u seriju, one se spajaju jedna za drugom što povećava napon bez promjene ukupne kapaciteta. Ova konfiguracija dobro funkcionira tamo gdje je potreban viši napon, razmislite o električnim automobilima ili određenim konfiguracijama solarnih panela. S druge strane, paralelne veze zadržavaju napon sličan onome koji proizvodi jedna ćelija, ali povećavaju ukupni kapacitet. To ih čini idealnima za stvari poput sustava za pohranu energije iz sunca koji trebaju dulje raditi prije nego što zahtijevaju ponovno punjenje. Izbor zaista ovisi o konkretnim potrebama pojedinog primjene.
Zamislite konfiguracije u seriji kao dodavanje dodatnih traka na autocesti, tako da više automobila (ili napon) može istovremeno kretati. Paralelne konfiguracije rade drugačije, iako su slične uvećanju postojećeg puta kako bi mogao izdržati veće kamione (što predstavlja povećanu kapacitet). Uzmite za primjer automobile – većina proizvođača električnih vozila koristi seriju spojeva jer električni motori trebaju taj skok u naponu da bi se pravilno pokrenuli. No, kada pogledamo rješenja za pohranu solarno stvorene energije, tvrtke često više vole paralelne konfiguracije jer one nude puno veći kapacitet pohrane, što ima smisla ako želimo da naši sustavi obnovljivih izvora zapravo mogu pohraniti dovoljno energije za oblačne dane.
Važno je pravilno regulirati temperaturu kako bi se osigurala ispravna i sigurna uporaba baterija. Tijekom punjenja i pražnjenja, baterije imaju tendenciju zagrijavanja u unutrašnjosti. Ako se to ne kontrolira, nakupljanje topline može značajno utjecati na učinak baterije tijekom vremena i čak dovesti do opasnih situacija. Zbog toga inženjeri projektiraju posebne sustave za hlađenje unutar baterijskih paketa. Postoje dvije osnovne metode hlađenja. Pasivno hlađenje oslanja se na materijale s dobrim vodljivostima ili poboljšane putove za odvođenje topline unutar same konstrukcije. Aktivno hlađenje ide korak dalje, koristeći dodatne komponente poput malih ventilatora koji pušu zrak preko ćelija ili sustava cirkulacije tekućine koji aktivno odvode toplinu iz osjetljivih područja gdje bi mogla izazvati probleme.
Najnoviji tehnički napredak učinio je rješenja za upravljanje temperaturom puno učinkovitijim u onome što rade, a to se u praksi pokazuje kao vrlo učinovito. Uzmite za primjer električna vozila - mnoga od njih sada dolaze s naprednim sustavima hlađenja ugrađenim direktno u baterijske pakete. Ovi sustavi osiguravaju glatko funkcioniranje čak i kada se temperature znatno mijenjaju, što pomaže u produživanju vijeka trajanja baterija prije nego što budu mogle zahtijevati zamjenu. Također, onemogućuju opasne situacije poznate kao termalni bijeg. Prema raznim studijama i poljskim testovima, ove vrste tehnologija hlađenja zaista imaju značajnu ulogu u performansama baterija. Baterijski paketi ostaju zaštićeni i rade kako su predviđeni tijekom cijklog vijeka trajanja, bez naglih kvarova ili pada kapaciteta.
Sustavi upravljanja baterijama ili BMS izuzetno su važni za održavanje sigurnosti i učinkovitog rada baterijskih paketa jer kontinuirano provjeravaju stvari poput razine napona i temperature baterija. Bez odgovarajuće kontrole, mogu se pojaviti problemi poput prekomjernog zagrijavanja ili neočekivanih skokova napona, što nitko ne želi kada su u pitanju baterijski paketi. Većina BMS konfiguracija ugrađena je s točkama upozorenja za temperature i naponske vrijednosti. Kada ove vrijednosti prijeđu granice koje se smatraju normalnima, sustav aktivira sigurnosne mjere kako bi spriječio potencijalne kvarove ili opasne situacije. Uzmimo za primjer litij-ionske baterije – mnogi proizvođači podešavaju mehanizme hlađenja da se aktiviraju čim temperatura dosegne otprilike 60 stupnjeva Celzijevih. Nedavna studija Sveučilišta u Kaliforniji pokazala je da kvalitetno praćenje BMS-a zapravo produljuje vijek trajanja baterija za otprilike 30%, istovremeno čineći ih sigurnijima za uporabu. Kontrola tih ključnih parametara znači da solarno napajane baterije dulje traju i bolje rade tijekom vremena, što je izuzetno važno za primjene u obnovljivim izvorima energije.
Sustavi za upravljanje baterijama (BMS) imaju ključnu ulogu u tome da sve te male ćelije unutar solarnih baterijskih paketa pravilno rade zajedno, uglavnom kroz bolju kontrolu njihovog pražnjenja i punjenja. Kada se energija ravnomjerno raspodijeli kroz paket, ovi sustavi zaista čine razliku u količini solarne energije koja se zapravo pohrani. Neka istraživanja pokazuju da dobar BMS sustav može povećati učinkovitost pohrane za otprilike 15 posto. Za praktičnu uporabu, to znači dvije stvari: bolje ukupno performanse sustava i dulji vijek trajanja baterija. Bez obzira koristi li netko solarne panele kod kuće ili upravlja većim instalacijama, ugradnja kvalitetnog BMS sustava čini svu razliku. Bez njega, ljudi završe zamjenjujući baterije puno češće, umjesto da uživaju u godinama stabilne performanse svoje solarne instalacije.
Kemijski sastav baterije uvelike utječe na njezinu učinkovitost, posebno u sustavima solarnog opremanja. Većina uobičajenih litij-ionskih baterija sadrži unutar sebe materijale poput litij-kobalt-oksida ili litij-mangan-oksida. Međutim, baterijski sustavi namijenjeni isključivo za solarne primjene često koriste nešto što se zove litij željezni fosfat (LiFePO4), jer ovaj materijal pruža bolje sigurnosne karakteristike i znatno dulji vijek trajanja. Razlika u kemijskom sastavu znači da ove solarne baterije mogu izdržati puno više ciklusa punjenja i pražnjenja nego što je uobičajeno kod standardnih litij-ionskih verzija. Studije pokazuju da LiFePO4 zapravo osigurava produženi ciklus života, kao i bolju otpornost na toplinu, što je izuzetno važno za solarne sustave pohrane jer se moraju redovito ciklirati tijekom dnevnih sati. Sve ovo u konačnici rezultira poboljšanom učinkovitost i duljim vijekom trajanja, pa nije čudno zašto mnogi vlasnici kuća koji razmatraju solarne opcije biraju LiFePO4 tehnologiju za svoje domaće instalacije.
Kada se sastavljaju baterijski paketi za kućne solarne sustave, postoji mnogo stvari koje su važne ako želimo da oni dobro funkcioniraju tijekom vremena. Glavne stvari koje ljudi promatraju uključuju koliko puta baterija može punjenje i pražnjenje prije nego što se istroši, koliko brzo se puni i kakav izlaz snage isporučuje tijekom tih ciklusa. Svi ovi aspekti utječu na to koliko će solarna baterija u praksi biti učinkovita i izdržljiva. Dobar dizajn mora se prilagoditi promjenjivim kućanskim potrebama za energijom, bez gubitka učinkovitosti. Uzmimo primjerice Tesla Powerwall – ovaj proizvod je postao popularan među vlasnicima kuća koji traže pouzdane rješenja za pohranu energije. Pohranjuje višak sunčeve energije proizvedene tijekom dana i vraća je natrag u kuću kad god cijene električne energije porastu ili je pristup mreži ograničen. Promatranje stvarnih primjena poput ove pomaže u razumijevanju zašto određene odluke u dizajnu tako značajno utječu na produljenje vijeka trajanja baterije i poboljšanje ukupne učinkovitosti sustava za kućne solarne instalacije.
Svijet baterija doživljava značajne promjene zahvaljujući novim razvojima u silicijskim anodama. One nude znatno bolje sposobnosti pohrane u usporedbi s tradicionalnim grafitnim anodama. Silicij ima potencijal zadržati otprilike deset puta više litijevih iona nego grafit, što znači da baterije mogu imati veću ukupnu snagu. Proizvođači potrošačkih uređaja i tvrtke koje se bave električnim vozilima već su prihvatile silicijsku anodnu tehnologiju jer njihovi proizvodi dulje traju između punjenja i bolje performiraju. Studija objavljena u časopisu Journal of Power Sources utvrdila je da ove poboljšanja zapravo povećavaju kapacitet za otprilike 40 posto, pa su stoga učinkovite za uređaje koji zahtijevaju veliku količinu energije. Osim što pokreću naše telefone i automobile, ova tehnologija pomaže i u razvoju solarnih baterijskih sustava. Sve više kućanstava počinje prihvaćati ove solarne sustave za pohranu jer postaju dostupne opcije za prikupljanje sunčeve svjetlosti tijekom dana za kasniju uporabu noću ili u lošim vremenskim uvjetima.
Elektroliti u čvrstom stanju predstavljaju veliki proboj u usporedbi s tradicionalnim tekućim elektrolitima, donoseći bolja sigurnosna rješenja i poboljšane performanse današnjim baterijama. Glavna prednost? Više nema curenja! Osim toga, ne dolazi do opasnih incidenata termalnog izbijanja koje imaju mnoge trenutne konstrukcije baterija. Ova promjena pristupa znači da proizvođači nisu više toliko ovisni o zapaljivim tekućinama, što rezultira znatno stabilnijim baterijskim paketima. Istraživanja iz Journal of Materials Chemistry A pokazuju da ove opcije s čvrstim elektrolitima traju dulje i bolje izdržavaju toplinu, što je posebno važno za mobitele, laptopove i naročito električne automobile. Još jedna prednost koja ih izdvaja je sposobnost da izdrže ekstremne uvjete bez razgradnje. Počinjemo ih također viđati u kućnim sustavima za pohranu energije iz solarne energije, gdje je pouzdanost ključna kada se za dnevne energetske potrebe oslanjate na naprednu litij-ion tehnologiju.