EN
Quick Links
Anodas litio jonų baterijoje atlieka gana svarbią funkciją įtampos krovimo ir išsikrovimo cikluose, daugiausiai pagamintas iš tokių medžiagų kaip grafitas arba silicis. Grafitas išlieka pagrindinė medžiaga daugeliui anodų, nes ji gerai veikia elektrochemiškai ir ne per brangiai kainuoja. Grafį išskiria sluoksninė struktūra, leidžianti litio jonams judėti į vidų ir iš viduje be didelių sunkumų, užtikrindama sklandžią baterijos veiklą. Silicis turi puikią energijos kaupimo talpą lyginant su grafitu, tačiau čia yra viena problema. Per įtampos ciklus silicis linkęs stipriai plėstis, o tokia plėtimosi tendencija gali sutrumpinti baterijos tarnavimo laiką. Mokslininkai jau daug metų ieško sprendimų šiai problemai. Naujausios studijos parodė, kad padengus grafito anodus silicio oksido sluoksniu, padidėja jų ilgaamžiškumas tarp įkrovimų, o tai reiškia geresnį visos baterijos sistemos našumą laikui bėgant.
Katodo medžiagos tipas daro įtaką tam, kiek energijos gali kaupti litio jonų baterija ir kaip ji veikia esant aukštai temperatūrai. Dvi dažniausiai šiuo metu naudojamos rūšys yra litio kobalto oksidas (LCO) ir litio geležies fosfatas (LFP). Nors LCO baterijoms būdinga puiki energijos kaupimo galia, jos tampa problemiškomis esant aukštai temperatūrai, todėl jos yra mažiau saugios. Tuo tarpu LFP medžiagos yra kur kas saugesnės ir geriau išlaiko aukštą temperatūrą, nors jos turi mažesnį energijos tankį. Atsižvelgiant į dabartinę baterijų sektoriaus situaciją, daugelis gamintojų teikia pirmenybę NMC mišiniams, kurie sujungia nikelį, mangano ir kobaltą. Atrodo, kad šios medžiagos pasižymi geru balansu tarp energijos išvesties ir saugumo savybių. Pramonės duomenys rodo, kad maždaug 30 % visų šiuo metu gaminamų baterijų turi tam tikrą NMC sudėtį, o tai rodo, kad įmonės vis labiau vertina tiek našumo, tiek patikimos termo valdymo savybes.
Litio jonų baterijose esantys elektrolitai iš esmės veikia kaip magistralė, kuria jonai keliauja pirmyn ir atgal tarp anodo ir katodo medžiagų, o tai yra būtina gerai baterijos veiklai. Daugumą laiko šios baterijos naudojo skystus elektrolitus, nes jie gerai laidūs jonams. Tačiau pastaruoju metu vis daugiau rūpinasi dėl saugos problemų – pernelyg daug atsitikimų, susijusių su nutekėjusiomis baterijomis ir netgi gaisrais, privertė mokslininkus ieškoti kietų alternatyvų. Kietieji elektrolitai siūlo geresnę saugą, nes jie ne taip lengvai užsidega, todėl sumažėja pavojingi baterijų blokų sprogimai, apie kuriuos kartais girdime. Naujausios mokslinės studijos, paskelbtos tokiuose leidiniuose kaip „Electrochimica Acta“, rodo, kad mokslininkai pasiekia pažangos tiek jonų laidumo kietuose medžiagose, tiek jų visuminės stabilumo srityse. Jei ši kryptis pasirodys sėkminga, ateityje tai galėtų reikšti saugesnes baterijas visų rūšių įrenginiuose – nuo išmaniuosiuose telefonuose iki elektrinių automobilių.
Litio jonų baterijų viduje esantys separatoriai svarbiai prisideda prie trumpojo jungimo stabdymo, sukuriant barjerą tarp anodo ir katodo, kartu leidžiant jonams keliauti per juos. Pastaruosius metus vyko daug inovacijų, siekiant pagerinti šių separatorių veikimą ir padaryti juos saugesniais. Medžiagos, tokios kaip keraminėmis danga aptrauktos, siūlo kur kas geresnį atsparumą karščiui, o tai reiškia, kad jos nesugenda taip lengvai, kai temperatūra pakyla. Pagal Membrane Science žurnale paskelbtus tyrimų rezultatus, šie pažengę separatoriai iš tikrųjų sumažina vidinę varžą baterijos elemente. Tai ne tik užtikrina saugesnį veikimą, bet ir daro visą bateriją veiksmingesne. Daugybė tyrimų tai patvirtina, parodant, kaip svarbu turėti gerą separatoriaus dizainą, kad ilgiau veiktų įrenginiai, kurie veikia naudojant litio jonų technologijas.
Supratus, kaip veikia nuoseklūs ir lygiagretūs elementų sujungimai, galima išgauti daugiausiai iš baterijų. Kai elementai sujungti nuosekliai, jie jungiami vienas po kito, todėl padidėja įtampos išvestis, nepakeičiant bendros talpos. Toks išdėstymas gerai veikia ten, kur reikia didesnės įtampos, pavyzdžiui, elektriniuose automobiliuose ar kai kuriose saulės elektrinės įrangos sistemose. Kita vertus, lygiagretus sujungimas išlaiko įtampos lygį, artimą vieno elemento gamintam, tačiau padidina bendrą talpą. Dėl to jie tinka saulės energijos kaupimo sistemoms, kurios turi veikti ilgiau iki būtinybės pakrauti. Pasirinkimas priklauso nuo konkrečių programos reikalavimų.
Įsivaizduokite serijines konfigūracijas kaip papildomų eismo juostų pridėjimą prie automagistralės, kad vienu metu galėtų važiuoti daugiau automobilių (ar įtampos). Lygiagretieji išdėstymai veikia kitaip, nors jie labai primena jau esamos kelio dalies plojimą, kad galėtų išlaikyti didesnius sunkvežimius (kurie simbolizuoja padidėjusią talpą). Imkime automobilius – daugelis EV gamintojų renkasi laidų išdėstymą eilėje, nes elektriniam varikliui reikia įtampos šuolio, kad tinkamai pradėtų veikti. Tačiau vertinant saulės energijos kaupimo sprendimus, įmonės dažniau teikia pirmenybę lygiagretiesiems išdėstymams, kadangi tokie sprendimai suteikia daugiau bendro saugojimo vietos. Tai logiška, jei norime, kad mūsų atnaujinamosios energijos sistemos iš tiesų galėtų kaupiamą energiją išlaikyti net tada, kai debesys užtemdo saulę.
Baterijų tinkamo temperatūros palaikymo klausimas yra labai svarbus, kad baterijos veiktų gerai ir būtų saugios. Kai baterijos paklūsta įkrovimo ir iškrovimo ciklams, jose viduje linksta kaitti. Jei šis karščio kaupimasis liktų nepastebėtas, jis gali rimtai paveikti baterijos veikimą ilguoju laikotarpiu ir net sukelti pavojingas situacijas. Todėl inžinieriai kuria specialias sistemas, kurios viduje baterijų blokų palaikytų vėsą. Iš esmės yra du būdai, kaip tai atlikti. Pasyviosios sistemos remiasi geromis laidžiomis medžiagomis arba geresnėmis šilumos perdavimo kryptimis, suprojektuotomis pačioje konstrukcijoje. Aktyvusis aušinimas eina dar toliau, naudodamas papildomas sudėtines dalis, tokias kaip mažyčiai ventiliatoriai, kurie pūsto orą per elementus, arba skysčio cirkuliacijos sistemos, kurios aktyviai šalina šilumą nuo jautrių vietų, kur ji galėtų sukelti problemų.
Naujausios technologijos padarė šilumos valdymo sprendimus kur kas efektyvesnius, ir tai puikiai matoma praktikoje. Paimkime elektrinius automobilius – daugelyje jų dabar įdiegtos sudėtingos aušinimo sistemos, integruotos tiesiogiai į baterijų blokus. Šios sistemos užtikrina sklandžią veiklą net esant reikšmingai kintančiai temperatūrai, todėl baterijų tarnavimo laikas iki pakeitimo pailgėja. Be to, jos neleidžia atsirasti pavojingoms situacijoms, vadinamoms šiluminės nestabilumo būkle. Pagal įvairius tyrimus ir praktinius bandymus, tokios aušinimo technologijos tikrai daro įtaką našiems akumuliatoriams. Baterijų blokai išlieka apsaugoti ir veikia taip, kaip numatyta visą jų gyvavimo ciklą, be netikėtų gedimų ar talpos kritimų.
Baterijos valdymo sistemos arba BVS yra labai svarbios užtikrinant baterijų saugumą ir gerą veikimą, nes jos nuolat stebi tokius parametrus kaip įtampa ir baterijų temperatūra. Netinkamai stebint, gali kilti problemų, tokių kaip perkaista arba netikėti įtampos šuoliai, ko niekas nenori, naudojant baterijų komplektus. Daugelyje BVS konfigūracijų yra integruoti įspėjimo slenksčiai temperatūros ir įtampos rodmenims. Kai šie rodikliai viršija normalius lygius, sistema įjungia saugos priemones, kad būtų sustabdytos galimos gedimų ar pavojingų situacijų atsiradimo priežastys. Paimkime pavyzdžiui litio jonų baterijas – daugelis gamintojų nustato jų aušinimo mechanizmus įjungti, kai temperatūra pasiekia apie 60 laipsnių Celsijaus. Naujausias Kalifornijos universiteto tyrimas parodė, kad kokybiškas BVS stebėjimas iš tikrųjų pailgina baterijų gyvavimo laiką apie 30 %, tuo pačiu padarydamas jas saugesnėmis naudoti. Kontroliuojant pagrindinius parametrus saulės energijos baterijos tampa ilgaamžiškesnės ir veiksmingesnės ilguoju laikotartpiu, o tai ypač svarbu atnaujinamosios energijos taikymo srityse.
Baterijų valdymo sistemos (BMS) svarbiai prisideda prie to, kad visos mažos saulės baterijų bloko ląstelės tinkamai veiktų kartu, daugiausiai dėl geresnio išsikrovimo ir įkrovimo kontrolės. Kai energija tolygiai paskirstoma per visą bloką, šios sistemos tikrai daro įtaką tam, kiek saulės energijos iš tikrųjų yra sukaupta. Kai kurios studijos rodo, kad tinkamai sukonfigūruota BMS gali padidinti saugojimo efektyvumą maždaug 15 procentų. Tai reiškia, kad praktikoje pasiekiamas dvigubas rezultatas: geresnis visos sistemos našumas ir ilgesnis baterijų tarnavimo laikas. Ar tai būtų saulės plokščių montavimas namuose arba didesnių įrenginių eksploatacija, kokybiškai įdiegus BMS skirtumas tampa akivaizdus. Be to, žmonės dažnai per dažnai keičia baterijas, vietoj to, kad išnaudotų jų ilgametę nuoseklią saulės energijos sistemos naudą.
Baterijų cheminė sudėtis yra labai svarbi, kad jos gerai veiktų, ypač naudojant saulės energijos sistemas. Daugelyje įprastų litio jonų baterijų yra arba litio kobalto oksido, arba litio mangano oksido medžiagos. Tačiau saulės energijai skirtos baterijų paketų dažniausiai naudojamos medžiagos yra vadinamasis litio geležies fosfatas (LiFePO4), nes ši medžiaga užtikrina geresnį saugos lygį ir tarnauja ilgiau. Cheminės sudėties skirtumas reiškia, kad šios saulės baterijos gali išlaikyti daugiau įkrovimo ir iškrovimo ciklų nei įprastos litio jonų baterijos. Tyrimai rodo, kad LiFePO4 suteikia ilgesnį ciklų skaičių, taip pat geresnį atsparumą šilumai, o tai yra labai svarbu saulės energijos kaupimo sistemoms, kadangi jos turi būti reguliariai naudojamos dienos metu. Visa tai leidžia pasiekti geresnį našumą ir ilgesnį eksploatacijos laiką, todėl nenuostabu, kad daugelis namų savininkų, įsigilinus į saulės energijos galimybes, renkasi LiFePO4 technologiją savo namų sistemoms.
Kuriant baterijų paketus namų saulės sistemoms, yra daugybė svarbių aspektų, kurie daro įtaką ilgalaikiam jų veikimui. Vartotojai daugiausiai vertina baterijos ciklų skaičių, kiek kartų ji gali įsikrauti ir išsikrauti iki nusidėvėjimo, įkrovimo greitį bei galios išvestį per šiuos ciklus. Visi šie parametrai daro įtaką tiek saulės baterijos efektyvumui, tiek jos ilgaamžiškumui praktikoje. Geri projektai turi prisitaikyti prie kintančių namų ūkio energijos poreikių, neužmirštant išlaikyti efektyvumo pranašumo. Paimkime, pavyzdžiui, Tesla Powerwall – šis produktas sulaukė populiarumo tarp namų savininkų, ieškančių patikimų energijos kaupimo sprendimų. Ji saugo papildomą dieną sugeneruotą saulės energiją ir tiekia ją atgal į namus, kai elektros kaina pakyla arba yra ribotas prieiga prie elektros tinklų. Analizuojant tokius realaus pasaulio pavyzdžius galima geriau suprasti, kodėl tam tikri konstrukciniai sprendimai yra tokie svarbūs, norint pratęsti baterijos tarnavimo laiką ir pagerinti visos sistemos našumą rezidenciniams saulės energijos įrenginiams.
Baterijų pasaulyje vyksta reikšmingų pokyčių dėl naujoviškų silicio anodų. Lyginant su tradiciniais grafito anodais, jie siūlo daug geresnes energijos kaupimo savybes. Silicis turi potencialo išlaikyti maždaug dešimt kartų daugiau litio jonų nei grafitas, o tai reiškia, kad baterijos gali būti galingesnės. Vartotojų elektronikos gamintojai ir elektrinių automobilių įmonės jau dabar naudojasi silicio anodų technologija, nes jų produktai tarp įkrovimų veikia ilgiau ir geriau veikia. Mokslinių tyrimų žurnale „Journal of Power Sources“ paskelbtas tyrimas parodė, kad šios technologijos padidina talpą maždaug 40 procentų, todėl jos puikiai tinka įrenginiams, reikalaujantiems daug energijos. Be telefonų ir automobilių maitinimo, ši technologija padeda plėtoti saulės baterijų sistemas. Vis daugiau namų pradeda naudoti šias saulės energijos kaupimo technologijas, nes jos tampa prieinam būdu kaupiant dienos šviesą nenaudojimui naktį arba blogo oro dienomis.
Kietieji elektrolitai yra didelis proveržis lyginant su senaisiais skystaisiais, suteikiant geresnes saugos savybes ir pagerinant bendrą akumuliatorių našumą. Pagrindinė nauda? Nebėra nutekėjimų! Be to, jie nenukentėja dėl pavojingų terminio nekontrolavimo incidentų, kurie dažnai sutrikdo daugelį šiuolaikinių akumuliatorių konstrukcijų. Toks požiūrio pokytis reiškia, kad gamintojai jau nėra tokie priklausomi nuo degiųjų skysčių, todėl akumuliatorių paketai tampa kur kas stabilomesni. Tyrimai iš „Journal of Materials Chemistry A“ rodo, kad kietieji elektrolitai tarnauja ilgiau ir geriau išlaiko šilumą – tai ypač svarbu telefonams, nešiojamiesiems kompiuteriams ir ypač elektrinėms automobiliams. Dar viena jų privalumų – gebėjimas išlaikyti ekstremaliomis sąlygomis be gedimų. Pradedame matyti juos ir namų saulės energijos kaupimo sistemose, kur svarbu pasikliauti pažangiausia litio jonų technologija kasdieninėms energijos reikmėms.