EN
Quick Links
Anods litija jonu baterijā veic diezgan svarīgas funkcijas lādēšanas un izlādēšanas ciklos, pašlaik to galvenokārt izgatavo no materiāliem, piemēram, grafīts vai silīcijs. Grafīts joprojām ir iecienīts materiāls lielākajai daļai anodu, jo tas elektroķīmiski darbojas labi un nav pārāk dārgs. Grafītu padara īpašu tā slāņu struktūra, kas ļauj litija joniem pārvietoties iekšā un ārā bez lielām grūtībām, nodrošinot baterijas gludu darbību. Silīcijam ir lieliska potenciāla energijas uzglabāšanai salīdzinājumā ar grafītu, taču tam ir arī trūkums. Kad silīcijs veic lādēšanas ciklus, tas tendēcē izvērsties, un šī izvēršanās var saīsināt baterijas kalpošanas laiku, pirms tā izdilst. Zinātnieki jau vairākus gadus pēta šo problēmu. Daži jaunākie pētījumi parādīja, ka silīcija oksīda pārklājumi uz grafīta anodiem palīdz tiem ilgāk izturēt lādēšanas ciklus, kas nozīmē labāku veiktspēju visai baterijas sistēmai laika gaitā.
Katoda materiāla veids, ko izmanto, ir svarīgs faktors, nosakot, cik daudz enerģijas var uzglabāt litija jonu baterijā, un cik labi tā iztur siltumu. Divas izplatītas iespējas tirgū šobrīd ir litija kobalta oksīds (LCO) un litija dzelzs fosfāts (LFP). Lai gan LCO nodrošina baterijām lieliskas enerģijas uzglabāšanas spējas, tas parasti kļūst problēmatisks, kad paaugstinās temperatūra, tādējādi to padarot vispār mazāk drošu. Savukārt LFP materiāli ir daudz drošāki un iztur siltumu labāk, lai gan tiem vienkārši trūkst tik liela enerģijas blīvuma. Vērojot, kas notiek bateriju nozarē šobrīd, daudzi ražotāji pāriet uz NMC maisījumiem, kas apvieno nīkeli, mangānu un kobaltu. Šķiet, ka šie materiāli nodrošina labu kompromisu starp jaudas izvadi un drošības īpašībām. Nozares dati liecina, ka apmēram 30% no visām pasaulē ražotajām baterijām šobrīd ietver kādu NMC sastāva formu, kas rāda, ka uzņēmumi arvien vairāk vērtē gan veiktspējas uzlabošanos, gan uzticamas siltuma pārvaldības īpašības.
Litija jonu akumulatoros esoši elektrolīti faktiski darbojas kā autoceļš, pa kuru joni pārvietojas starp anoda un katoda materiāliem, kas ir absolūti nepieciešams labai akumulatora darbībai. Lielāko daļu no tā vēstures šie akumulatori paļāvās uz šķidriem elektrolītiem, jo tie ļoti labi vada jonus. Tomēr pēdējā laikā ir pieaudzis bažas par drošības problēmām, jo pārāk daudz notikumu, kas saistīti ar noplūdušiem akumulatoriem un pat ugunsgrēkiem, ir mudinājuši pētniekus attīstīt cietas alternatīvas. Cieti elektrolīti nodrošina labāku drošību, jo tie neaizdegas viegli, samazinot bīstamos akumulatoru bloku sprādzienus, par kuriem mēs dažkārt dzirdam. Nesen publicēti darbi, piemēram, žurnālā Electrochimica Acta, parāda, ka zinātnieki panāk progresu, uzlabojot gan šo cieto vielu jonu vadītspēju, gan to kopējo stabilitāti. Ja izdosies, tas varētu nozīmēt drošākus akumulatorus visās ierīcēs, sākot no viedtālruņiem līdz elektriskajiem automobiļiem nākamajos gados.
Litija jonu baterijās esošie separatori ir ļoti svarīgi, lai izvairītos no īssavienojumiem, jo tie veido barjeru starp anodu un katodu, vienlaikus ļaujot joniem brīvi pārvietoties. Pēdējo gadu laikā ir notikusi daudz innovāciju, kuru mērķis ir uzlabot separatoru darbību un palielināt to drošumu. Materiāli, piemēram, keramikas pārklātie varianti, nodrošina daudz labāku izturību pret augstu temperatūru, kas nozīmē, ka tie ne tik viegli iziet no darba režīma, kad temperatūra paaugstinās. Saskaņā ar atklājumiem, kas publicēti žurnālā Journal of Membrane Science, šie uzlabotie separatori patiešām samazina iekšējo pretestību baterijas elementā. Tas ne tikai padara baterijas darbību drošāku, bet arī nodrošina tās efektīvāku darbību. Daudzas pētījumu publikācijas to apstiprina, parādot, cik svarīga ir laba separatora dizaina nozīme, lai pagarinātu mūsu litija jonu tehnoloģijām balstīto ierīču kalpošanas laiku.
Iepazīstoties ar seriju un paralēlo elementu konfigurācijām, ir iespējams iegūt maksimālu labumu no akumulatoru komplektiem. Savienojot elementus virknē, tiek palielināts spriegums, nemainot kopējo jaudu. Šāda veida konfigurācija ir noderīga, ja ir nepieciešams lielāks spriegums, piemēram, elektriskajos automobiļos vai noteiktās saules paneļu sistēmās. Savukārt paralēlā pieslēgšanā spriegums paliek līdzīgs viena elementa spriegumam, taču palielinās kopējā jauda. Tādēļ šāda veida konfigurācija ir piemērota, piemēram, saules enerģijas uzkrāšanas sistēmām, kurām nepieciešams ilgāks darbības laiks starp uzlādēšanām. Izvēle galu galā ir atkarīga no konkrētajām prasībām, kuras izpildāma.
Iedomājieties sērijveida konfigurācijas kā papildu joslu pievienošanu automaģistrālei, lai vienlaikus varētu pārvietoties vairāk mašīnām (vai spriegumam). Paralēlās iestatījumi darbojas citādi, tomēr tās ir līdzīgas esošās ielas paplašināšanai, lai tajā varētu izturēt smagākas mašīnas (kas apzīmē palielinātu jaudu). Piemēram, automašīnām lielākā daļa EV ražotāju izvēlas sērijveida pieslēgumu, jo elektriskajiem motoriem ir nepieciešams sprieguma palielinājums, lai varētu normāli sākt kustēties. Tomēr, raugoties uz saules enerģijas uzglabāšanas risinājumiem, uzņēmumi parasti dod priekšroku paralēlajām shēmām, jo šādi iestatījumi nodrošina daudz lielāku uzglabāšanas vietu kopumā, kas ir saprotams, ja vēlamies, lai mūsu atjaunojamās enerģijas sistēmas patiešām varētu uzglabāt pietiekami daudz enerģijas arī apmākušajās dienās.
Temperatūras kontrole ir ļoti svarīga, lai nodrošinātu bateriju labu darbību un drošību. Kad baterijas veic uzlādes un izlādes ciklus, tās iekšēji sasilst. Ja šo siltuma uzkrāšanos nekontrolē, tā var nopietni ietekmēt baterijas veiktspēju ilgtermiņā un pat izraisīt bīstamas situācijas. Tāpēc inženieri projektē īpašus sistēmu risinājumus, kas uztur vēsumu bateriju blokos. Pamata pieejas bateriju dzesēšanai ir divas. Pasīvā dzesēšana balstās uz labiem siltumvadītājiem vai uzlabotām siltuma novadīšanas ceļiem, kas iestrādāti pašā dizainā. Aktīvā dzesēšana ietver papildu komponentiem, piemēram, maziem ventilatoriem, kas pūš gaisu pār elementiem, vai šķidruma cirkulācijas sistēmām, kas aktīvi noņem siltumu no jutīgām zonām, kur tas var izraisīt problēmas.
Pēdējo tehnoloģiju uzlabojumi ir ievērojami uzlabojuši siltuma pārvaldības risinājumus, un mēs tos varam redzēt veiksmīgi darbojamies praksē. Piemēram, ņemot elektriskos transportlīdzekļus – daudzi no tiem tagad ir aprīkoti ar sarežģītām dzesēšanas sistēmām, kas integrētas tieši bateriju komplektos. Šīs sistēmas nodrošina gludu darbību pat tad, kad temperatūra ievērojami svārstās, kas palīdz pagarināt bateriju kalpošanas laiku, pirms tās ir jāaizvieto. Tās arī novērš bīstamas situācijas, ko sauc par termālo izraisīšanos. Saskaņā ar dažādām studijām un lauka testiem, šāda veida dzesēšanas tehnoloģijām patiešām ir liela nozīme attiecībā uz akumulatoru veiktspēju. Bateriju komplekti paliek aizsargāti un darbojas tā, kā paredzēts, visā to dzīves ciklā, neizraisot pēkšņus atteikumus vai jaudas kritumu.
Baterijas pārvaldības sistēmas, jeb BMS, ir ļoti svarīgas, lai nodrošinātu bateriju paketes drošību un labu darbību, jo tās nepārtraukti uzrauga parametrus, piemēram, sprieguma līmeni un bateriju temperatūru. Bez pienākošas uzraudzības var rasties problēmas, piemēram, pārkaršana vai neparasti sprieguma uzplūdi, ko neviens noteikti nevēlas, strādājot ar bateriju paketēm. Vairumā BMS konfigurāciju iekļauti iepriekš noteikti brīdinājuma slieksņi temperatūras un sprieguma rādītājiem. Kad šie rādītāji pārsniedz normālas vērtības, sistēma aktivizē drošības pasākumus, lai novērstu iespējamus bojājumus vai bīstamas situācijas. Piemēram, litija jonu baterijām daudzi ražotāji iestata dzesēšanas mehānismu ieslēgšanos, kad temperatūra sasniedz apmēram 60 grādus pēc Celsija. Pēdējā laikā Kalifornijas universitātes veiktais pētījums parādīja, ka kvalitatīva BMS uzraudzība patiešām pagarina bateriju kalpošanas laiku par aptuveni 30%, vienlaikus padarot tās drošākas lietošanai. Galveno parametru kontrole nozīmē, ka saules enerģijas baterijas kalpo ilgāk un ar labāku efektivitāti laika gaitā, kas ir ļoti svarīgi atjaunojamās enerģijas pielietojumos.
Baterijas pārvaldības sistēmas (BMS) ir atbildīgas par to, lai visi mazie elementi saules bateriju komplektos darbotos sinhroni, galvenokārt kontrolējot to izlādes un uzlādes laiku. Kad enerģija vienmērīgi tiek sadalīta pa visu komplektu, šīs sistēmas ievērojami ietekmē to, cik daudz saules enerģijas faktiski tiek uzglabāta. Daži pētījumi liecina, ka pareizi konfigurēta BMS var palielināt uzglabāšanas efektivitāti līdz pat 15 procentiem. Reālā lietošanā tas nozīmē divas lietas: labāku sistēmas kopīgo veiktspēju un ilgāku bateriju kalpošanas laiku. Vai nu kāds uzstāda saules paneļus mājās vai ekspluatē lielākas iekārtas, kvalitatīvas BMS uzstādīšana rada lielu atšķirību. Bez tās cilvēki bieži vien tiek spiesti nomainīt baterijas daudz biežāk, nevis baudīt ilgstošu un stabilu saules enerģijas sistēmas darbību.
Bateriju ķīmija ir ļoti svarīga, lai tās darbotos labi, īpaši saistībā ar saules enerģijas iekārtām. Vairumā parasto litija jonu bateriju iekšpusē ir litija kobalta oksīds vai litija mangāna oksīda materiāli. Tomēr saules enerģijai paredzētās bateriju paketes bieži izmanto litija dzelzs fosfātu (LiFePO4), jo šis materiāls nodrošina labāku drošību un ilgāku kalpošanas laiku. Ķīmiskā sastāva atšķirība nozīmē, ka šīm saules baterijām ir iespējams izturēt daudz vairāk uzlādes un izlādes ciklu salīdzinājumā ar standarta litija jonu baterijām. Pētījumi liecina, ka LiFePO4 nodrošina ilgāku cikla kalpošanas laiku un labāku izturību pret augstu temperatūru, kas ir ļoti svarīgi saules uzglabāšanas sistēmām, jo tām jāveic cikli regulāri dienas laikā. Viss iepriekš minētais kopā dod labāku veiktspēju un ilgāku kalpošanas laiku, tāpēc nav nejaušība, ka daudzi mājsaimniecības īpašnieki, izvēloties saules enerģijas risinājumus, dod priekšroku LiFePO4 tehnoloģijai savām mājsaimniecības instalācijām.
Veidojot bateriju komplektus mājas saules sistēmām, ir vairāki faktori, kas patiešām ir svarīgi, lai nodrošinātu to ilgstošu darbību. Galvenie parametri, pēc kuriem cilvēki vērtē, ietver cik reizes baterija var uzlādēties un izlādēties, pirms tā nodilst, cik ātri tā uzlādējas un kāda veida jaudu tā nodrošina šajos ciklos. Visi šie aspekti ietekmē gan sistēmas efektivitāti, gan ilgmūžību reālā lietojumā. Labi risinājumiem jāpielāgojas mainīgajām mājsaimniecības enerģijas vajadzībām, nezaudējot efektivitātes priekšrocības. Piemēram, Tesla Powerwall ir ieguvusi popularitāti starp mājīpašniekiem, kuri meklē uzticamas enerģijas uzglabāšanas iespējas. Tā uzkrāj lieko saules gaismu, kas tiek izveidota dienas laikā, un to atbrīvo mājā, kad elektroenerģijas cenas paaugstinās vai ir ierobežota piekļuve tīklam. Analizējot reālus pielietojumus, kā šis, kļūst skaidrs, kāpēc noteikti konstrukcijas risinājumi tik daudz ietekmē baterijas kalpošanas laiku un uzlabo vispārējo sistēmas veiktspēju mājdzīvojamām saules instalācijām.
Bateriju pasaulē notiek ievērojamas izmaiņas pateicoties jaunajiem sasniegumiem silīcija anodēs. Tās nodrošina ievērojami labāku uzglabāšanas iespējas salīdzinājumā ar tradicionālajiem grafīta anodiem. Silīcijam ir potenciāls uzkrāt apmēram desmit reizes vairāk litijs jonu nekā grafītam, kas nozīmē, ka baterijām var būt kopumā lielāka jauda. Patēriņa elektronikas ražotāji un EV uzņēmumi jau tagad pieņem silīcija anodu tehnoloģijas, jo to produkti ilgāk darbojas no vienas uzlādes un arī labāk veic savas funkcijas. Pētījums, kas publicēts žurnālā Journal of Power Sources, atklāja, ka šie uzlabojumi faktiski palielina jaudu par apmēram 40 procentiem, tādējādi tās labi darbojas ierīcēm, kurām nepieciešams liels jaudas patēriņš. Ne tikai mobilajām ierīcēm un automašīnām, šī tehnoloģija veicina arī saules bateriju sistēmu attīstību. Arvien vairāk mājsaimniecības sāk pieņemt šādas saules uzglabāšanas risinājumus, jo tās kļūst par pieejamām opcijām, lai uzkrātu saules gaismu dienas laikā un izmantotu to vēlāk naktī vai ļoti vētrām dienām.
Sastāvs elektroliti ir liels pārmaiņas salīdzinājumā ar veco laikmetīgo šķidru elektrolitu, kas dod labākas drošības īpašības un vispārēju uzlabošanu mūsdienu baterijām. Galvenais ieguvums? Nekas vairs neizslēgs! Turklāt tie nesaskaras ar bīstamiem termiskās izplūdes gadījumiem, kas ir daudzas pašreizējās bateriju konstrukcijas. Šī pieejas maiņa nozīmē, ka ražotāji vairs nav tik atkarīgi no degūšām šķidrumiem, kas rada daudz stabilākus akumulatorus. Pētījumi no žurnāla "Materiālu ķīmija A" liecina, ka šie cietās vielas varianti ilgāk pavada un labāk iztur siltumu. Tas ir ļoti svarīgi tālruņiem, portatīviem datoriem un īpaši elektriskajiem automobiļiem. Viņu vēl vairāk izceļ spēja izturēt ārkārtīgi sarežģītus apstākļus, nesaplūdinot. Mēs sākam redzēt, ka tās parādās arī mājokļu saules enerģijas uzglabāšanas sistēmās, kur uzticamība ir svarīga, balstoties uz modernāko litija jonu tehnoloģiju ikdienas enerģijas vajadzībām.