V procesu zrychlení globálního přechodu na čistou energii se důležitost systémů skladování energie jako klíčového spojení při vyvážení nabídky energie a poptávky a zlepšení stability energie stává stále výraznějším. Lithiové baterie s výhodou vysoké hustoty energie, dlouhé životnosti cyklu a nízkou rychlostí výboje se staly technologií hlavního proudu v oblasti skladování energie. S nepřetržitým inovacím procesů materiálů a výrobních procesů nadále dosahují průlomu výkonu a vkládají silný impuls do rozvoje průmyslu ukládání energie.
1 materiální inovace řídí zlepšení výkonu
(1) Transformace pozitivních elektrodových materiálů rozšiřuje horní hranici hustoty energie
Lithiové baterie s časným skladováním energie často používají lithiový železný fosfát (LFP) jako pozitivní elektrodový materiál, který má vysokou bezpečnost a dlouhou životnost cyklu, ale jeho hustota energie je relativně nízká, což omezuje celkovou kapacitu systému skladování energie. V posledních letech se objevily s vysokým niklovým ternárním materiálem, jako jsou NCM811 a NCA, což výrazně zlepšilo hustotu energie baterií s vyšším obsahem niklu, dosahující 200-300 wh\/kg, což je asi 50-100% než tradiční lithiové materiály železa. Vysoké niklové ternární materiály však představují výzvy, pokud jde o bezpečnost a tepelnou stabilitu. Za tímto účelem vědci účinně zlepšili strukturální stabilitu a zvýšenou bezpečnost materiálů prostřednictvím povrchového povlaku, dopingu prvků a další léčby modifikace. Například potahování povrchu materiálu NCM811 vrstvou oxidu hliníku (AL ₂ O3) může potlačit přechod strukturální fáze materiálu během nabíjení a vybíjení, snížit riziko tepelného útěku a zlepšit bezpečnost a cyklistickou výkonnost baterie v prostředí s vysokou teplotou.
Současně materiál lithium manganového železa (LMFP), jako vznikající pozitivní elektrodový materiál, kombinuje bezpečnost fosfátu lithia železa s vysokým napěťovým charakteristikou oxidu lithia manganu. Teoretická hustota energie může překročit 200WH\/kg a očekává se, že zlepší hustotu energie při zachování nákladové výhody a bezpečnosti fosfátu železa lithia a stane se důležitým směrem vývoje pozitivních elektrodových materiálů v budoucích lithiových bateriích pro ukládání energie.
(2) Aktualizace negativních elektrodových materiálů pro optimalizaci komplexního výkonu baterií
Tradiční grafitové negativní elektrodové materiály se široce používají v lithiových bateriích kvůli jejich hojným rezervacím, nízkým nákladům a nízkému potenciálu vložení lithia. Jeho teoretická specifická kapacita je však pouze 372 mAh\/g, což je obtížné uspokojit další poptávku po vysoké hustotě energie v systémech skladování energie. Materiály na bázi křemíku, jako nová generace negativních elektrodových materiálů, mají teoretickou specifickou kapacitu až 4200 mAh\/g, což je více než 10krát vyšší než u grafitu a stala se výzkumným hotspotem. Materiály na bázi křemíku však podléhají významné rozšíření objemu (až 300% -400%) během procesu nabíjení a vypouštění, což vede k poškození materiálu a poškození struktury elektrody, čímž ovlivňuje životnost cyklu baterie. K vyřešení tohoto problému vědci připravili silikonové uhlíkové kompozitní materiály rovnoměrným rozptýlením nano silikonových částic v uhlíkové matrici a využívali flexibilitu uhlíkových materiálů k pufru změny objemu křemíku a zvýšením vodivosti materiálu. Například silikonový uhlíkový kompozitní negativní elektrodový materiál připravený metodou chemické depozice páry může dosáhnout životnosti cyklu více než 1000krát a zároveň zajistit vysokou specifickou kapacitu, což výrazně zlepšuje celkový výkon baterie. Kromě toho byl ve scénářích skladování energie široce používán negativní elektrodový materiál lithia (LTO) s extrémně vysokými požadavky na bezpečnost a životnost cyklu kvůli vynikající bezpečnostní výkonům, rychlému nabíjení a výkonu a výkonu pro vypouštění a životností ultra dlouhého cyklu (až 10000krát nebo více). Jeho hustota energie je však relativně nízká, asi 120-180 wh\/kg, což omezuje její rozsáhlou propagaci. K zlepšení jejího výkonu je zapotřebí další úsilí prostřednictvím optimalizace struktury materiálu a jiných prostředků.
2 Optimalizace výrobních procesů pro zlepšení kvality baterie
(1) Zlepšení procesu přípravy elektrod zvyšuje konzistenci baterie
Elektrodová příprava je rozhodujícím krokem ve výrobě lithiových baterií a její technologická úroveň přímo ovlivňuje konzistenci výkonu baterie. Tradiční proces potahování elektrod má problémy, jako je nerovnoměrná tloušťka povlaku a nekonzistentní rozdělení částic, což má za následek různé reakční rychlosti v různých částech baterie během nabíjení a vypouštění, což ovlivňuje celkový výkon a životnost baterie. V posledních letech lze s vývojem vysoce přesných potahovacích procesů, jako je štěrbinový a přenosový povlak, přesné kontroly tloušťky elektrodového povlaku lze dosáhnout, přičemž odchylky jsou kontrolovány v rámci ± 2 μm, což účinně zlepšuje uniformitu a konzistenci elektrodových povlaků. Současně je přijata pokročilá technologie válcování, aby přesně řídily parametry, jako je tlak a rychlost válcování, které mohou pevně uspořádat částice materiálu elektrodového materiálu, zlepšit hustotu zhutnění elektrody, a tím zvyšovat hustotu energie baterie. Například na rozsáhlém výrobním potrubí pro výrobu lithiových baterií ve velkém měřítku využívání štěrbinového povlaku a vysoce přesné technologie lisování role zvýšilo energetickou hustotu baterie o 10%-15%a odchylka konzistence kapacity stejné šarže baterií byla menší než 1%, což zlepšilo stabilitu a spolehlivost systému skladování energie.
(2) Technologie sestavy baterií a baterie zajišťuje bezpečnost baterie
Proces sestavy baterií a baterie je zásadní pro zajištění bezpečnosti a životnosti lithiových baterií. V procesu sestavení baterie se zavede automatická laserová svařovací technologie. Ve srovnání s tradičním svařováním odporu má laserové svařování výhody úzkého svarového švu, malé zóny postižené teplem a vysokou sílu svařování. Může dosáhnout vysoce kvalitního spojení mezi terminály baterie a přípojnicemi, snížit kontaktní odpor, snížit jev vytápění baterií během nabíjení a vypouštění a zlepšit bezpečnost baterie. V procesu balení se vysoké bariérové materiály a pokročilé těsnicí techniky, jako je technologie balení s kompozitními filmy z hliníku, se používají k účinnému zabránění vnější nečistoty, jako je vlhkost a kyslík v vstupu do baterie, zabránění korozi, otoky a další problémy a prodloužení životnosti baterie. Kromě toho některé špičkové lithiové baterie pro ukládání energie na špičkové úrovni také integrují teplotu, tlak a další senzory uvnitř balíčku pro sledování vnitřního stavu baterie v reálném čase. Jakmile dojde k abnormalitám, mohou být včas přijata ochranná opatření k dalšímu zvýšení bezpečnosti baterií.
3 Inteligentní upgrade systému správy baterií
(1) Přesné monitorování a řízení zvyšuje výkon baterie
Systém správy baterií (BMS), jako „mozek“ lithiových baterií, hraje klíčovou roli v systémech skladování energie. Nová generace BMS přijímá vysoce přesné senzory a pokročilé algoritmy, které mohou sledovat klíčové parametry, jako je napětí baterie, proud, teplota, stav nabití (SOC) a stav zdraví (SOH) v reálném čase a přesně. Například použitím algoritmu filtrování Kalmana pro zpracování napětí baterie a aktuálních dat lze přesnost odhadu SOC zlepšit na ± 3%, což poskytuje přesný základ pro řízení nabíjení a vybíjení baterie. Současně BMS inteligentně spravuje nabíjení a vypouštění baterií na základě monitorovacích dat, dynamicky upravuje nabíjecí proud a napětí, aby se zabránilo přebíjení a přehnanému, účinně prodlouží životnost cyklu baterie. Ve velké elektrárně ukládání energie přijetí inteligentních BMS prodloužilo životnost cyklu lithiových baterií o 20% -30%, čímž se snížilo náklady na provoz a údržbu systému skladování energie.
(2) Systém zvyšování spolehlivosti pro diagnostiku poruch a včasné varování
Inteligentní BMS má silnou diagnostiku poruch a varování. Prostřednictvím hloubkové analýzy údajů o provozu baterie lze potenciální nebezpečí poruchy baterie detekovat včas a varování lze vydat předem. Například pomocí algoritmů strojového učení k učení a tréninku historických dat baterií lze vytvořit model předpovědi poruchy baterie. Když baterie zažívá abnormality, může model rychle určit typ a závažnost poruchy, poskytnout přesné informace o diagnostice poruch pro personál provozu a údržbu, usnadnit včasné opatření a zabránit rozšíření poruchy. Kromě toho si BMS může také vyměňovat data s monitorovací platformou systému skladování energie, nahrávat informace o stavu baterie v reálném čase do cloudu a personál provozu a údržby si může prohlížet stav provozu baterie kdykoli a kdekoli prostřednictvím mobilních aplikací nebo počítačových terminálů, dosažením vzdáleného monitorování a správy a zlepšení efektivity spolehlivosti a údržby a údržby efektivity systému ukládání energie.