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
Fot. 1. Widok ogniwa litowo-jonowego typu NMC w szczelnej obudowie
Fot. 1. Widok ogniwa litowo-jonowego typu NMC w szczelnej obudowie
Fot. J. Sroczan

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.

W artykule:

• Walory ekonomiczno-użytkowe baterii litowo-jonowych
• System BMS kontrolujący i nadzorujący pracę baterii
• Opis akumulatora litowo-jonowego
• Przewagi technologiczne akumulatora litowo‑jonowego. 

W wymienionych we wprowadzeniu do niniejszej publikacji obszarach 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.

Do pełnego policzenia kosztów produktu konieczne jest zastosowanie analizy LCC (ang. life cycle 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.

Czytaj też: Przewody szynowe w układach zasilania gwarantowanego >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!

Artykuł pochodzi z: miesięcznika elektro.info 6/2017

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie


Zdobądź certyfikat i uprawnienia - Opomiarowanie i dozór elektryczny

Kurs kwalifikacyjny Grupa 1 elektroenergetyczna Po zakończeniu szkolenia odbędzie się praktyczny test egzaminacyjny. Uczestnik, który pozytywnie zaliczy test oraz zda pozytywnie egzamin kwalifikacyjny przed Państwową Komisją Kwalifikacyjną, otrzymuje imienne świadectwo upoważniające go do samodzielnego wykonywania pomiarów elektrycznych(...) czytam dalej »


Normy na urządzenia zasilające a ups-y kompensacyjne »
Upsy kompensacyjne

Wymagania dotyczące jakości dostarczanej energii poza zakresem zmian napięcia i częstotliwości sprowadzają (...) czytam dalej »


Detektor zwarć łukowych - maksymalizacja bezpieczeństwa »

Zalety i funkcje ładowarek podtynkowych »

Zwarcia łukowe ładowarki podtynkowe
Co roku w całej Europie wybuchają tysiące pożarów wywołanych awarią w instalacji elektrycznej, których przyczyną są niebezpieczne zwarcia łukowe. Sprawdź.... czytam dalej » Już nie musisz szukać wolnego przewodu, ponieważ punkt ładowania znajduje się zawsze w tym samym miejscu i jest gotowy do naładowania Twojego (...) czytam dalej »

Zalety modułowych rozdzielnic nn »
rozdzielnice modułowe

Rozdzielnice niskonapięciowe (rozdzielnice nn) są elementami złożonymi z jednego lub kilku aparatów niskiego napięcia, które współpracują z urządzeniami sterowniczymi, sygnalizacyjnymi oraz pomiarowymi. Dodatkowo służą do łączenia... czytaj dalej »


Czy naprawdę warto? - Nowa seria ograniczników przepięć » Jak diagnozować urządzenia elektryczne za pomocą termowizji »
Ograniczniki przepięć Pomiar za pomocą termowizji
Szeregowe połączenie iskierników w stosunku do warystora powoduje, że ograniczniki typu 1, 2 w czasie normalnej pracy (…) czytaj dalej »
Kamera termowizyjna jest urządzeniem służącym do bezkontaktowego zobrazowania rozkładu temperatury na obserwowanej powierzchni na podstawie pomiaru (...) czytam dalej»

Jakie wybrać agregaty prądotwórcze »
Agregaty prądotwórcze - jakie wybrać

Niezawodne zasilanie i rozdział energii elektrycznej, doświadczona obsługa techniczna to... 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 »
4/2018

AKTUALNY NUMER:

elektro.info 4/2018
W miesięczniku m.in.:
  • - Zasady i kryteria doboru wyłączników różnicowoprądowych do selektywnej współpracy
  • - Projekt instalacji piorunochronnej budynku hali produkcyjnej
Zobacz szczegóły
Transformatory PSS N

Transformatory PSS N

Wyraziste kolory, łatwość montażu, zgodność wymiarów z aparaturą modułową oraz znakomite przystosowanie do szyny TH-35. Takie właśnie są nowe transformatory serii...
MICROS sp.j. W. Kędra i J. Lic MICROS sp.j. W. Kędra i J. Lic
Firma Micros istnieje na polskim rynku elektronicznym nieprzerwanie od 1988 roku. Jej początki to mały sklep z asortymentem elektronicznym,...
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