EN
Quick Links
Anoda znotraj litijevega ionskega akumulatorja opravlja precej pomembne funkcije med cikli polnjenja in praznjenja, večinoma je iz materialov, kot sta grafite ali silicij. Grafite je še vedno najpogosteje uporabljen material za večino anod, ker elektrokemijsko dobro deluje in ni predrag. Grafite je poseben zaradi svoje plastične strukture, ki omogoča litijevim ionom, da se premikajo noter in ven brez večjih težav, kar ohranja gladko delovanje akumulatorja. Silicij ima izjemni potencial za shranjevanje večje količine energije v primerjavi s grafitem, vendar obstaja težava. Ko silicij prehaja skozi cikle polnjenja, se znatno razširi, kar pa lahko skrajša življenjsko dobo akumulatorja. Znanstveniki že leta raziskujejo to težavo. Nekatera nedavna raziskovanja so pokazala, da prevleke iz silicijevega oksida na grafitnih anodah pomagajo, da anode dlje zadržijo naboj, kar pomeni boljše zmogljivosti celotnega baterijskega sistema skozi čas.
Vrsta uporabljenega katodnega materiala ima pomembno vlogo pri določanju količine energije, ki jo lahko shranjuje litij-ionska baterija, ter pri tem, kako dobro prenaša toploto. Dve pogosti možnosti na današnjem trgu sta litijev kobaltov oksid (LCO) in litijev železov fosfat (LFP). Medtem ko LCO omogoča odlične zmogljivosti shranjevanja energije, postane težaven, ko se stvari segrejejo, kar ga naredi v celoti manj varen. V nasprotju s tem so LFP materiali veliko varnejši in bolje prenašajo toploto, čeprav ne morejo zagotoviti enake gostote energije. Če pogledamo sedanje dogajanje na področju baterij, se mnogi proizvajalci obračajo k mešanicam NMC, ki združujejo nikelj, mangan in kobalt. Ti materiali delujejo kot dobra kompromisna rešitev med izhodno močjo in varnostnimi funkcijami. Podatki iz industrije kažejo, da okoli 30 % vseh baterij, ki se trenutno proizvajajo po svetu, vključujejo kakršno koli obliko sestave NMC, kar kaže, da podjetja vse bolj cenijo tako izboljšano zmogljivost kot zanesljive lastnosti upravljanja s toploto.
Elektroliti znotraj litijevih baterij v osnovi delujejo kot avtocesta, po kateri ioni potujejo med anodnimi in katodnimi materiali, kar je povsem nujno za dobro zmogljivost baterije. Ves ta čas so te baterije temeljile na tekočih elektrolitih, saj zelo dobro prevajajo ione. Vendar so se v zadnjem času pojavile vedno večje skrbi glede varnosti – preveč incidentov z uhajajočimi baterijami in celo požari so znanstvenike usmerile v razvoj trdih alternativ. Trdi elektroliti ponujajo boljšo varnost, saj se ne vžigejo tako hitro, s čimer se zmanjša nevarnost eksplozij baterijskih paketov, o katerih včasih slišimo. Nedavna dela, objavljena v revijah kot je Electrochimica Acta, kažejo, da znanstveniki dosegajo napredek pri izboljšanju prevodnosti ionov skozi te trdne elektrolite in njihove splošne stabilnosti. Če bo to uspešno, bi lahko v prihodnjih letih pomenilo varnejše baterije za vse vrste naprav, od pametnih telefonov do električnih vozil.
Ločila znotraj litijevih ionskih baterij igrajo pomembno vlogo pri preprečevanju kratkih stikov, saj medtem ko ustvarjajo pregrado med anodo in katodo, še vedno omogočajo prehod ionov. V zadnjih letih je bilo veliko inovacij, usmerjenih v izboljšanje učinkovitosti in varnosti teh ločil. Materiali, kot so keramično prevlečeni, ponujajo veliko boljšo odpornost proti toplini, kar pomeni, da se ne poškodujejo tako hitro, ko se temperature dvignejo. Glede na ugotovitve, objavljene v Journal of Membrane Science, ta napredna ločila dejansko zmanjšajo notranji upor v baterijski celici. To vodi ne samo k varnejšemu delovanju, temveč tudi k bolj učinkovitemu delovanju celotne baterije. Številne študije to podpirajo in poudarjajo, kako pomembno je dobro načrtovanje ločil za podaljšanje življenjske dobe naprav, ki uporabljajo litijevu ionsko tehnologijo.
Razumevanje delovanja zaporednih in vzporednih postavitev celic je ključno za doseganje najboljših rezultatov pri baterijskih paketih. Ko so celice povezane v serijo, se povezujejo ena za drugo, kar poveča izhodno napetost, ne da bi se spremenila skupna zmogljivost. Ta vrsta postavitve je primerna v primerih, kjer so potrebne višje napetosti, na primer pri električnih avtomobilih ali določenih sončnih sistemih. V nasprotju s tem pa vzporedne povezave ohranjajo napetostno raven podobno kot pri posamezni celici, hkrati pa povečajo skupno zmogljivost. Zaradi tega so zelo primerne za stvari, kot so sistemi za shranjevanje sončne energije, ki morajo delovati dlje časa pred ponovnim polnjenjem. Izbira pa resnično temelji na konkretnih potrebah posamezne uporabe.
Predstavljajte si serije konfiguracij kot dodajanje dodatnih pasov na avtocesti, tako da hkrati lahko vozi več avtomobilov (ali napetosti). Vzporedne konfiguracije delujejo drugače, čeprav so nekako podobne širjenju obstoječe ceste, da lahko prenese večje kamione (kar predstavlja povečano zmogljivost). Za primer poglejmo avtomobile: večina proizvajalcev električnih vozil uporablja serisko ožičenje, ker električni motorji potrebujejo ta skok v napetosti, da se pravilno zaženejo. Vendar ko pogledamo rešitve za shranjevanje sončne energije, podjetja raje uporabljajo vzporedne razporeditve, saj te razporeditve omogočajo veliko več prostora za shranjevanje, kar pa ima smisel, če želimo, da naši sistemi obnovljive energije resnično shranijo dovolj energije skozi oblačne dni.
Za pravilno delovanje in varnost baterij je zelo pomembna prava temperatura. Ko baterije prehajajo skozi cikle polnjenja in praznjenja, se notranje segrejejo. Če se to toplotno nabiranje ne nadzoruje, lahko dolgoročno negativno vpliva na delovanje baterije in celo povzroči nevarne situacije. Zato inženirji oblikujejo posebne sisteme za hlajenje notranjih komponent baterijskih paketov. Obstajata dva osnovna pristopa k hlajenju. Pasivni pristop se oslanja na dobro prevodne materiale ali izboljšane toplotne poti, vključene v sam dizajn. Aktivno hlajenje pa gre še korak naprej z dodajanjem dejanskih komponent, kot so majhni ventilatorji, ki pihajo zrak čez celice, ali sistemi za cirkulacijo tekočine, ki aktivno odvajajo toploto iz občutljivih mest, kjer bi lahko povzročila težave.
Nedavni tehnološki izboljšave so naredile rešitve za upravljanje s toploto veliko boljše pri tem, kar počnejo, in to lahko v praksi vidimo v praksi. Vzemimo na primer električna vozila - mnoga so zdaj opremljena s sofisticiranimi hlajalnimi sistemi, ki so neposredno vgrajeni v njihove baterijske pakete. Ti sistemi omogočajo gladko delovanje celo ob precejšnjih temperaturnih nihanjih, kar pomaga podaljšati življenjsko dobo baterij, preden jih je treba zamenjati. Prav tako preprečujejo nevarne situacije, imenovane termični uščip. Različne študije in terenske preiskave kažejo, da te vrste hlajalnih tehnologij resnično ustvarjajo razliko pri zmogljivih baterijah. Paketi ostanejo zaščiteni in delujejo tako, kot je pričakovano, skozi celoten življenjski cikel, brez nenadnih okvar ali upadov zmogljivosti.
Sistemi za upravljanje z baterijami (BMS) so zelo pomembni za zagotavljanje varnosti in učinkovitega delovanja baterijskih paketov, saj nenehno spremljajo stvari, kot so nivoji napetosti in temperatura baterij. Brez ustrezne kontrole se lahko pojavijo težave, kot so presegrevanje ali nenadne napetostne špiče, kar seveda nihče ne želi pri delu z baterijskimi paketi. Večina BMS konfiguracij vključuje vgrajene točke opozarjanja za temperaturo in napetostne vrednosti. Ko te vrednosti presežejo običajne meje, sistem aktivira varnostne ukrepe, da prepreči morebitne okvare ali nevarne situacije. Vzemimo za primer litij-ionske baterije: mnogi proizvajalci nastavijo mehanizem za hlajenje, da se vklopi, ko temperatura doseže okoli 60 stopinj Celzija. Nedavna študija Univerze v Kaliforniji je pokazala, da učinkovito spremljanje BMS dejansko podaljša življenjsko dobo baterij za približno 30 %, hkrati pa jih naredi varnejše za uporabo. Nadzor ključnih parametrov pomeni, da sončne baterije dlje časa trajajo in se sčasoma bolje odrezujejo, kar je zelo pomembno za uporabo v obnovljivih virih energije.
Sistemi za upravljanje z baterijami (BMS) igrajo ključno vlogo pri zagotavljanju, da vse majhne celice znotraj sončnih baterijskih paketov delujejo skupaj na ustrezni način, predvsem z boljšim nadzorom njihovega praznjenja in polnjenja. Ko se energija enakomerno porazdeli po celotnem paketu, ti sistemi resnično vplivajo na to, koliko sončne energije se dejansko shrani. Nekatere študije kažejo, da lahko pravilna konfiguracija BMS poveča učinkovitost shranjevanja za okoli 15 odstotkov. Za uporabo v praksi to pomeni dvoje: boljše skupno delovanje sistema in daljše trajanje baterij. Ne glede na to, ali nekdo namešča sončne panele doma ali upravlja večje instalacije, namestitev kvalitetnega BMS sistema naredi vse razliko. Brez njega ljudje prevečkrat nadomeščajo baterije namesto da bi uživali v letih stabilnega delovanja svoje sončne elektrarne.
Sestava baterij je zelo pomembna za njihovo učinkovito delovanje, še posebej v fotovoltačnih sistemih. Večina navadnih litijevih baterij vsebuje notri bodisi litij-kobaltov oksid bodisi litij-manganov oksid. Fotovoltačne baterijske naprave pa pogosto uporabljajo nekaj, kar se imenuje litijev železov fosfat (LiFePO4), saj ta material zagotavlja boljšo varnost in daljšo življenjsko dobo. Razlika v kemijski sestavi pomeni, da lahko te fotovoltačne baterije prenašajo mnogo večje število polnjenj in praznjenj kot standardne litijeve baterije. Študije kažejo, da LiFePO4 zagotavlja daljšo ciklično življenjsko dobo in boljšo odpornost proti toploti, kar je zelo pomembno za fotovoltačne sisteme za shranjevanje energije, saj se morajo med delovanjem v dnevnih urah redno prazniti in polniti. Vse skupaj pomeni boljše zmogljivosti in daljšo življenjsko dobo, zato ni čudno, da se mnogi lastniki domov, ki razmišljajo o fotovoltačnih rešitvah, priklanjajo tehnologiji LiFePO4 za svoje domače instalacije.
Pri sestavljanju baterijskih paketov za domačne sončne sisteme je več stvari, ki so ključne za dolgoročno učinkovito delovanje. Najpomembnejše značilnosti vključujejo število polnjenj in praznjenj, ki jih baterija zmore preden se izrabi, hitrost polnjenja ter vrsto moči, ki jo oddaja skozi te cikle. Vse te značilnosti vplivajo tako na učinkovitost kot trajnost sončne baterije v praksi. Dobra konstrukcija mora biti sposobna prilagoditi se nihajočim potrebam domačije po energiji, ne da bi izgubila učinkovitost. Vzemimo na primer Teslin Powerwall – ta izdelek je postal priljubljen med lastniki hiš, ki iščejo zanesljive rešitve za shranjevanje energije. Shrani presežek sončne svetlobe, ki se ustvari v dnevnih urah, in ga sprosti nazaj v hišo, ko električna energija postane dražja ali ko je dostop do omrežja omejen. S preučevanjem takšnih praktičnih primerov uporabe postane jasno, zakaj določene konstrukcijske izbire tako zelo vplivajo na podaljšanje življenjske dobe baterij in izboljšanje celotne učinkovitosti sistemov za sončne elektrarne v stanovanjskih objektih.
Svet baterij doživlja znatne spremembe zaradi novih razvojnih dosežkov na področju silicijevih anod. Te ponujajo veliko boljše lastnosti shranjevanja v primerjavi s tradicionalnimi grafitnimi anodami. Silicij ima potencial za približno desetkrat večje shranjevanje litijevih ionov kot grafit, kar pomeni, da lahko baterije v celoti dosegajo večji učinek. Proizvajalci potrošniških naprav in podjetja, specializirana za električna vozila, že vključujejo silicijeve anode v svojo tehnologijo, saj njihove naprave in vozila omogočajo daljše delovanje med polnitvama in boljše zmogljivosti. Študija, objavljena v Journal of Power Sources, je pokazala, da te izboljšave dejansko povečajo zmogljivost za približno 40 odstotkov, zato tehnologija dobro deluje tudi za naprave, ki potrebujejo več energije. Poleg napajanja naših telefonov in avtomobilov ta tehnologija pomaga tudi pri razvoju sončnih baterijskih sistemov. Vse več gospodinjstev začenja uporabljati te rešitve za shranjevanje sončne energije, saj so zdaj cenovno dostopnejše in omogočajo zajem sončne energije v dnevnih urah za poznejšo uporabo ponoči ali v oblačnih dneh.
Trdne elektrolite predstavljajo velik preboj v primerjavi s tradicionalnimi tekočimi elektroliti, saj omogočajo boljšo varnost in izboljšano zmogljivost sodobnih baterij. Glavna prednost? Ni več uhajanja! Poleg tega ne trpijo za nevarnimi pojavi termalnega nekontroliranega delovanja, ki so značilni za številne sedanje konstrukcije baterij. Ta sprememba pomeni, da proizvajalci niso več tako odvisni od vnetljivih tekočin, kar vodi v bistveno stabilnejše baterijske sklope. Raziskave iz Journal of Materials Chemistry A kažejo, da trdne elektrolite trajajo dlje in se bolje spopadajo z visokimi temperaturami – dejstvo, ki je zelo pomembno za mobilne telefone, prenosnike in še posebej za električna vozila. Še dodatno jih izpostavlja njihova sposobnost, da preživijo ekstremne razmere brez razpada. Prvič jih začenjamo videti tudi v domačih sistemih za shranjevanje sončne energije, kjer je zanesljivost ključna, kadar se za vsakodnevno oskrbo z električno energijo zanašamo na sodobno litijevono tehnologijo.