Pełny numer elektro.info 7-8/2017 tylko dla Ciebie [PDF]

wystarczy założyć konto w portalu elektro.info.pl

Baterie litowo-jonowe - zastosowanie produktu w energetyce zawodowej i przemysłowej, w górnictwie miedzi i węgla kamiennego, w motoryzacji

Lithium-ion batteries in power systems, copper and coal mining and automotive applications
Widok ogniwa litowo-jonowego typu NMC w szczelnej obudowie
Widok ogniwa litowo-jonowego typu NMC w szczelnej obudowie
Fot. J. Świątek

Rozwój infrastruktury sieciowej, dołączanie źródeł OZE, przebudowa struktury wytwarzania energii powodują, że powszechne jest stosowanie zasobników i magazynów energii. Pojawiają się obszary, gdzie zastosowanie tradycyjnych akumulatorów zbudowanych z ogniw kwasowo-ołowiowych lub niklowo-kadmowych jest już niewystarczające, kłopotliwe lub wręcz niezasadne.

Są to obszary, w których priorytetem mogą być następujące cechy:

1) możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur bez znaczącej utraty żywotności;

2) uzyskiwanie jak najmniejszych wymiarów oraz jak najmniejszej masy przy dużej pojemności, co jest związane z wymaganą dużą energią właściwą (Wh/kg) i gęstością energii (Wh/dm3) zasobnika;

3) uzyskanie jak największych przepływów mocy (prądów) w obu kierunkach, co jest związane z ograniczeniem czasu ładowania oraz z wysoką gęstością mocy zasobnika (kW/dm3);

4) zwiększona żywotność, także w pracy cyklicznej (większa liczba cykli ładowanie-rozładowanie);

5) brak emisji gazów żrących, wybuchowych i toksycznych;

6) zapewnienie niezawodności, pewności zadziałania, wytrzymałości mechanicznej;

7) małe samorozładowanie;

8) ograniczenie czynności eksploatacyjnych – wyeliminowanie testów pojemności.

W takich aplikacjach konieczne jest zastosowanie bardziej innowacyjnych akumulatorów niż dotychczasowe. Dobrze pasują tu akumulatory litowo-jonowe z elektrolitem ciekłym lub polimerowym. Tego typu akumulatory charakteryzują się dużą gęstością energii, wysokim napięciem nominalnym ogniwa (także siły elektromotorycznej SEM), niskim współczynnikiem samorozładowania, dobrą trwałością cykliczną oraz szerokim dopuszczalnym zakresem temperatur pracy.

Problemem może być bariera cenowa, ponieważ ceny zakupu ogniw w tej technologii są jeszcze kilkukrotnie wyższe niż tradycyjnych rozwiązań.

Należy dodać, że z roku na rok te ceny znacząco spadają. Bariera cenowa może być jednak iluzoryczna, bo wstępna niska cena zakupu nie oznacza taniej eksploatacji.

Czytaj też: Dobór mocy zespołu prądotwórczego (część 1) >>>

Do pełnego policzenia kosztów produktu konieczne jest zastosowanie analizy LCC (ang. life cykle costs), gdzie sumujemy cenę zakupu i do tego dołączamy żywotność produktu oraz koszty eksploatacji i utylizacji [1]. Po takiej analizie może się okazać, że w niektórych zastosowaniach jest jak najbardziej zasadne zakupienie akumulatorów litowo-jonowych.

Jeżeli akumulatory litowo-jonowe są stosowane jako zamienniki napędu spalinowego, to pojawiają się dodatkowe przewagi, niemierzalne kosztami eksploatacyjnymi, a polegające na:

  • ograniczeniu problemów z prądami rozruchowymi,
  • ograniczeniu emisji spalin,
  • poprawie czystości powietrza,
  • ograniczeniu temperatury,
  • ochronie zdrowia ludzkiego i środowiska.

Kluczowym elementem, zapewniającym poprawną pracę oraz bezpieczeństwo eksploatacyjne ogniw litowo-jonowych, jest zastosowanie systemu kontrolującego i nadzorującego pracę baterii zwanego BMS (ang. battery management system).

Taki układ jest koniecznym wyposażeniem baterii litowo-jonowej. Mierzy on napięcia, prądy, temperatury każdego ogniwa, wykonuje wyrównanie napięć poszczególnych ogniw (ang. balancing), może wyliczać stan naładowania SoC (ang. state of charge) i/lub dyspozycyjną pojemność oraz żywotność SoH (ang. state of health).

BMS zapewnia też bezpieczną pracę układu, chroni przed głębokim rozładowaniem, przeładowaniem oraz nadmierną temperaturą wewnętrzną ogniw, możliwością wystąpienia rozbiegania termicznego (ang. thermal runaway) ogniw.

BMS jest kluczowym układem gwarantującym poprawną i bezpieczną pracę baterii litowo-jonowej.

Jakość pracy BMS jest równie istotna jak jakość zastosowanych ogniw. W wysokojakościowych rozwiązaniach BMS musi mieć certyfikat i zatwierdzenie poprawności działania wydane przez producenta ogniw, z którymi ma współpracować. Dopiero układ jako całość musi mieć przeprowadzone testy końcowe, walidację i certyfikację.

Zanim przejdziemy do opisania przewag eksploatacyjnych oraz przykładowych zastosowań, krótko przedstawimy zasadę działania ogniw litowych, podamy ich podział i nazewnictwo.

Opis akumulatora litowo-jonowego

Ogniwa litowo-jonowe jest to grupa akumulatorów odwracalnych (wtórnych) magazynujących elektrochemicznie energię, w których:

  • anoda to grafit interkalowany jonami litu,
  • katoda to niestechiometryczne tlenki lub siarczki metali przejściowych, np. MnO2 mogące ulegać interkalacji kationami litowymi,
  • elektrolit to roztwory soli litu w silnie polarnych rozpuszczalnikach organicznych, elektrolity mogą być ciekłe, ceramiczne, szkliste lub polimerowe.

Działanie ogniw litowo-jonowych opiera się na zjawiskach interkalacji i deinterkalacji. Interkalacja jest to zjawisko wbudowywania się w strukturę krystaliczną ciała stałego elektrod jonów litu bez zmian tej struktury. Jony litu wchodzą w przestrzenie międzyatomowe kryształu.

Proces rozładowania ogniwa (dostarczanie energii do obwodu elektrycznego) polega na wytworzeniu jonu litu na anodzie.

Jony litu ulegają deinterkalacji, opuszczają strukturę krystaliczną anody. Następnie dyfundują w elektrolicie w kierunku katody i interkalują do materiału katody. Migracja jonów Li+ pomiędzy elektrodami powoduje obniżenie energii układu i równoczesny przepływ elektronów w obwodzie zewnętrznym akumulatora.

Podczas ładowania zachodzą procesy odwrotne.

Proces ładowania uzyskuje się przez przyłożenie do elektrod zewnętrznego źródła napięcia. Pod wpływem różnicy potencjałów na elektrodzie dodatniej następuje reakcja elektrochemiczna, w wyniku której lit ulega utlenieniu do jonu litu Li+. Reakcji tej towarzyszy deinterkalacja jonów Li+ z materiału katody i ich migracja przez elektrolit i interkalacja do anody. Szczegółowo przedstawia to praca [3].

Obecnie najpowszechniej są stosowane następujące typy ogniw litowych (ze względu na skład chemiczny elektrod):

  • NMC – katoda jest zbudowana z tlenków litowo-niklowo-kobaltowych, anodą jest grafit;
  • LMO – katoda jest zbudowana z tlenków litowo-magnezowych, anodą jest grafit;
  • LFP – katoda jest zbudowana z tlenków litowo-żelazowych, anodą jest grafit;
  • LTO – katodą jest tlenek litowo-kobaltowy, anodą jest grafit z tlenkiem litowo-tytanowym.

Wyżej wymienione typy ogniw mają wspólne cechy, zasadę działania, jednakże na tyle w szczegółach różnią się parametrami eksploatacyjnymi, że będzie konieczne odwoływanie się do tych nazw przy omawianiu zalet eksploatacyjnych.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!


Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 3/2016

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Gdzie znajduje zastosowanie współczesna termowizja?

Kamery termowizyjne Zadbaj o bezpieczeństwo i uniknij awarii. Za pomocą kamery termowizyjnej możliwe jest bezdotykowe sprawdzenie instalacji elektrycznej przy pełnym obciążeniu. Dzięki temu można (...) czytam dalej »


Urządzenia przeciwprzepięciowe (SPD) - jakie wybrać ?

urządzenia przeciwprzepięciowe spd Ochronniki przepięciowe odpowiednie do zastosowań w instalacjach 230 V lub 400 V, systemy jedno- lub trójfazowe, wymienny moduł warystora i zamknięty moduł iskiernika, wizualna i zdalna sygnalizacja stanu warystora oraz(...) czytam dalej »


Światło dzienne, nasz naturalny regulator - odwzorowanie opraw oświetleniowych »

Bezpanelowe pozyskiwanie energii słonecznej - jak to zrobić?

Ośiwetlenie - jakie wybrać? bezpanelowa energia słoneczna
Rodzaj oświetlenia ma również fundamentalny wpływ na nasz wzrok oraz bezpośrednio wpływa na nasze ciało, umysł i (...) czytam więcej » Innowacje i technologia przeszły długą drogę. Rzeczywiście wkroczyliśmy w nową generację nowoczesnych udogodnień, które nie tylko sprawiają, że nasz styl życia jest bardziej luksusowy i komfortowy, ale... czytam dalej »

Nowe rozdzielnice Practibox S - wysoka jakość i nagrodzony design w przystępnej cenie»

nowe rozdzielnice Rozdzielnice dedykowane są przede wszystkim dla budownictwa mieszkaniowego (prywatnego jak i deweloperskiego), hoteli i obiektów biurowych. Rozdzielnice otrzymały ... czytam dalej »


Wprawiają w ruch tysiące różnych pojazdów na świecie - znasz ich?

Rozdzielnice średniego napięcia (SN) - przegląd 2019

pojazdy elektryczne Medcom Rozdzielnice 2019 porównanie
Zmieniają sposób myślenia o energii elektryczne i nie tylko... czytam więcej » Rozdzielnice średniego napięcia (SN), tak jak i inne rozdzielnice energetyczne, budowane są na napięcia znamionowe w zakresie od 7,2 do 36 kV o wartościach 7,2; 12; ... czytam dalej »

Kamery termowizyjne w cenach promocyjnych - tylko do 30 czerwca! »

Promocje na kamery termowizyjne Przy pracach instalacyjnych, a także w przemyśle, kamera termowizyjna jest nieodzownym narzędziem pracy ... czytam dalej »


Może Cię to zainteresuje ▼

Jaki wybrać uniwersalny, programowalny wyświetlacz cyfrowy?

Kable i przewody - dobierz odpowiednie do swojego projektu »

Sterowniki programowalne kable i przewody - jakie wybrać
Współpracujący z dowolnym nadajnikiem sygnału w standardzie 4-20 mA. Urządzenie nie wymaga dodatkowego zasilania. Do obszaru zastosowań urządzenia wlicza się sterowanie oraz ... czytam więcej » Właściwie wykonana i dostosowana do konkretnych zagrożeń środowiskowych instalacja elektryczna powinna do minimum ograniczać zagrożenia... czytam dalej »


Ochrona przed przepięciami systemów alarmowych»

Wszyscy elektryczni producenci w jednym miesjcu - zobacz!

Ochrona przepięciowa systemów alarmowych Elektryczni producenci w jednym miejscu
Jak ochronić różnorodne elektroniczne systemy ochrony mienia przed skutkami przepięć(...) czytam dalej » Zobacz ponad 100,000 produktów elektromechanicznych w ofercie (...) czytam dalej »

Co jeszcze potrafią enkodery Ethernet?

UPS zasilacze Rynek systemów przemysłowych dynamicznie się rozwija, a standard Industrial Ethernet jest przyszłością systemów (...) czytam dalej »


Jak komunikować urządzenia w środowisku przemysłowym?

Ograniczniki przepięć, które wybrać?

Switche zarządzalne spd ograniczniki przepięć
Switche niezarządzalne to urządzenia, które mają za zadanie przekazywanie danych między urządzeniami w wymagającym środowisku przemysłowym. Ich zadaniem jest zapewnienie przede wszystkim stabilnej, jak również wydajnej komunikacji.(...) czytam dalej » Układy SPD typu 1 (ograniczniki przepięć typu 1) powinny być stosowane do ochrony instalacji elektrycznej oraz urządzeń przed zagrożeniami stwarzanymi(...) czytam dalej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »
5/2019

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 5/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Stacje ładowania pojazdów elektrycznych
  • - Oświetlenie boisk piłkarskich zgodnie z wymaganiami klas oświetleniowych
Zobacz szczegóły

Wakacyjna promocja prenumeraty „elektro.info”!

Już lada moment lato, czas urlopów i błogiego odpoczynku, ale... zanim to nastąpi mamy dla Was wyjątkową letnią promocję na zakup lub przedłużenie prenumeraty „elektro.info”!

Nowe czujniki w rodzinie NIPRESS 1

Rodzina czujników ciśnienia NIVELCO została znacząco powiększona i obecnie czujniki NIPRESS pokrywają zapotrzebowanie większości branż przemysłowych dzięki szerokiej gamie dostępnych...
Enkodery ETHERNET AFS/AFM60A

Enkodery ETHERNET AFS/AFM60A

Rynek systemów przemysłowych dynamicznie się rozwija, a standard Industrial Ethernet jest przyszłością systemów komunikacji. Wydajność standardu Fast Ethernet,...
Cantoni Motor S.A. Cantoni Motor S.A.
Grupa Cantoni została pionierem w produkcji silników elektrycznych już w XIX wieku i od tego czasu kontynuuje misję wdrażania...
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa, w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl