Бүрэн Хүчинтэй бөгөөд Шинэчлэгдэхүүн: Хоёр Хамгийн Сонирхолтой

Баттерейн технологийн хөгжил: Бат бөх чанар ба цэнэглэх боломжийг нэгтгэх

Баттерейн бат бөх чанар ба үйлдлийн тэнцвэрийг ойлгох

Орчин үеийн энерги хадгалах системүүд зөв ажиллахын тулд цахилгаан баттерей нь чадалдаа алдалтгүй мянга мянган удаа цэнэглэгдсэн ч хүч чадлаа хадгалж чадах ёстой. Жишээлбэл, литий-ион баттерей нь анхны багтаамжаа 80%-иас доош унахын өмнө ойролцоогоор 5000 удаа бүрэн цэнэглэх боломжтой болсон. Энэ нь 2023 онд Понемоны хийсэн судалгаагаар харахад зөвхөн дөрвөн жилийн өмнөх үзүүлэлттэй харьцуулахад маш их сайжирсан үзүүлэлт юм. Эдгээр сайжруулалтын шалтгаан юу вэ? Ихэвчлэн ийм баттерейн доторх электродуудыг үйлдвэрлэх технологид гарсан дэвшил, мөн электролитын хольцын чанар сайжирсан нь гол шалтгаан юм. Эдгээр өөрчлөлт нь баттерейн дотор савхан шиг жижиг кристал үүсэхийг (дендрит) саатуулж, цаг соёрох тусам баттерейн нас буртгийн алдагдлыг удаашруулдаг.

Технологийн дэвшил хэрхэн илүү урт нас баталгаажуулдаг вэ Үйлчилгээ Амьдрал

Сүүлийн үед эсийн найрлага болон илүү сайн Батерейн удирдлагын систем (BMS) -ийн сайжруулалт нь лити-ион батерейг одоогоор гэр дэх энергийн хадгалалт зэрэг зүйлд ашиглах үедээ ойролцоогоор 12-15 жил амьдардаг болгож байна. Шинэ чанарын цэнэгийн батерейн загварууд доторх шатахуйн шингэн хэсгийг бүрмөсөн арилгасаар байгаа тул энэ нь аюулгүй байдлын хувьд том ач холбогдолтой юм. S&P Global-ийн шалгалт эдгээр загварууд нь 2,000 цикл цэнэглэсний дараа хүчин чадлын ойролцоогоор 94%-ийг хадгалж чаддаг болохыг баталсан. Цахилгаан хөдөлгүүрийн зах зээлд үүнийг маш ихээр сонирхолтой болгож буй зүйл бол батерейнууд энерги их хадгалах эсвэл олон удаа цэнэглэх чадвараас сонгох шаардлагатай байсан хуучин асуудлыг шийдвэрлэсэн явдал юм. Одоо үйлдвэрлэгчид цахилгаан машины батерейн чадал буурахад 10 жилийн баталгаат хугацаатай байхад нэг удаагийн цэнэглэлтээр 400 миль (644 км) -с давж явах боломжийг хэрэглэгчдэд санал болгож чадаж байна.

Гол үзүүлэлтүүд: Батерейн амьдралын хугацаа ба цикл тутамд чадал хадгалагдах чадвар

Индустрийн стандарт нь батерейг үнэлэхдээ гурван үндсэн параметр ашигладаг:

• Цаг агаарын үйл ажиллагаа : Сүлжээний хэмжээний системүүдэд цэнэгийн 80% ашигласны дараа хамгийн багадаа 4,000 цикл
• Цаг хугацааны хугацаа : Оновчтой температурын нөхцөлд жилдэх чадалд ≤2%-ийн алдагдал гарна
• Нийт тойрч буй үр ашгаа : Ахисан литийн төмрийн фосфат (LFP) бүтцийн хувьд ≥95%

Дараагийн үеийн никель ихэсгэсэн катодууд нь хэвийн NMC 811 загваруудтай харьцуулахад энерги нягтыг 28%-иар сайжруулдаг бөгөөд цахиур-анодын гибридүүд нь 1,200 удаагийн хурдан цэнэглэлтийн дараа 92% багтаамжийг хадгалдаг (Joule 2023).

Тэсвэрт чанар болон дахин цэнэглэх чадварыг сайжруулах зориулалттай дараагийн үеийн баттерейн найрлага

Хатуу төлвийн баттерей: Аюулгүй байдал, үргэлжлэх хугацааны хувьд шинэ цоорхой

Хатуу төлвийн баттерейнууд нь хэвийн лити-ион системүүдэд тохиолддог шатах аюул, циклээр дамжуулан задрах дутагдалд шийдэл гаргахын тулд шатамхай шингэн электролитийг тогтвортой хатуу материалуудаар солих зарчимд суурилдаг. Сүүлийн үеийн судалгаануудын дагуу эдгээр баттерейнууд 4.5V хүчдэл дээр 1000 цикл хийсний дараа чадавхийнх нь 95% -ийг хадгалж чадаж байгаа бөгөөд иймд хуучин загваруудтай харьцуулахад 40% -ийн давуу талтай байна. Инженерчлэлийн сульфид суурьтай электролит нь захын эсэргүүцлийг бууруулж, цэвэрлэгээ үүсгэхгүйгээр ионы зөөлөн шилжилтийг хангана. Энэхүү инноваци нь циклийн тоо 5000+ болон цэнэглэх хугацаа 15 минут хүртэл сайжруулах боломжийг олгох бөгөөд тээвэрлэх чадвар, дахин цэнэглэх чадварыг хүчтэй сайжруулдаг.

Тэсвэртэй орлох шинж чанарын натри-ион ба төмөр-агаарын химийн бүрдэл

Натрийн ион баттереууд нь натрийн их хэмжээний агууламжаас (газар доорх давхаргийн 2.6% натри, литийн 0.002%-той харьцуулахад) хамааран материаллаг зардлыг 30–40% бууруулж, цахилгаан эрчим хүчний нягтыг 120–160 Вт/кг түвшинд хадгалж чаддаг. Төмөр-агаарын системүүд орчны хүчилтөрөгчийг ашиглан 100 цагийн цэнэгийг гаргах боломжийг олгох бөгөөд долоо хоногийн турш цахилгааны сүлжээг эргэлтэд оруулахад тохиромжтой юм. Одоогийн байгуулалтын үеийн энерги хувиргах үр дүнтэй ажиллах чадвар 40–50% боловч 2023 оны туршилтын төслүүд нь орон сууцны хадгалалтанд 8000 циклийн амьдралын хугацааг харуулсан. Эдгээр хоёр химийн найрлага зөрчилдөөний минералаас зайлсхийснээр 2024 оны Глобал Баттерейн Тэгшитгэлийн Тунхаглалын зааврын шаардлагад нийцдэг.

Урсгалын баттерей ба урт хугацааны энергийн хадгалалтанд эзлэх үүрэг

Ванадийн урсгалын баттерейнууд нь (10 цаг болон түүнээс дээш) урт хугацааны салбарлах чадвараараа онцлогтой бөгөөд модульлаж болох савнууд нь цахилгаан эрчим хүчний чадал, энерги хадгалах чадал хоёрыг тусдаа хадгалдаг. Хатуу төлвийн эсвэл литий-ион зэрэг газрын шигтгээтэй харьцуулахад тэдгээр нь шингэн электролитийг тойрон эргэлдүүлснээр 20,000+ циклд 100% гүншилтээр ажилладаг. Кинон суурьтай органик электролитийн судалгаа нь анхны зардлыг кВт/цагт $500-с кВт/цагт $180 хүртэл бууруулсан бөгөөд олон өдрийн сэргээгдэх эрчим хүчний системийг нэгтгэхэд шийдвэрлэх ач холбогдолтой болсон.

Шинээр гарч буй баттерейн найрлага химийн харьцуулагдсан шинжилгээ

*Цахилгааныг хаалтын үеийн онолын хамгийн их хэмжээ; **Урт хугацааны хадгалалтын танкны эзлэхүүний хэмжигдэхүүн

Хатуу төлвийн баттерей нь энергийн нягтаар тууштай боловч үйлдвэрлэлийн нарийн төвөгтэй байдаг. Натри-ион нь масс байдлаар хэрэглэхэд хамгийн тохиромжтой тэнцвэрийг санал болгодог бол урсгал ба төмөр-агаарын баттерейнууд нь насанд уртсаах зориулалттай торын хэрэглээнд давамгайлдаг. Нэг бүр нь тодорхой цахилгааныг хаах хугацаа, тэгшитгэлийн шаардлагуудтай нийцэх ёстой.

Баттерейн амьдралыг уртасгаж, гүйцэтгэлийг сайжруулах материал шинэчлэл

Давтан цэнэглэх ба цэнэгийг гаргах үед тэсвэртэй байх инженерийн электродын материал

Материалтай ажилладаг эрдэмтэд электродын загварыг илүү тэсвэртэй болгох замаар баттерейн хугацааг дахин тодорхойлж байна. Жишээ нь цахиур агуулсан анод нь энгийн графитаас дөрөв дахин их литийг багтаадаг. Мөн кобальт агуулаагүй шинэ катодууд байгаа бөгөөд эдгээр нь цэнэглэх явцад баттерейд бага ачаалал өгдөг. 2021 онд хийгдсэн зарим туршилтууд эдгээр бүх дэвшил нь стандарт литий-ион баттерейн харьцангуй хоёр дахин их хугацаагаар ажиллах боломжийг олгоно гэж харуулсан. Эдгээр онцгой керамик полимер холимогуудыг электролит болгон ашиглах нь баттерейн дотор үүсдэг мод маягийн дендритийг үүсэхээс сэргийлдэг бөгөөд энэ нь жилд олон удаа цэнэглэдэг элементүүдийн гэмтэлд шалтгаан болдог байсан.

Наноструктурлагдсан материал болон тэдгээрийн энерги хадгалах үр дүнтэй харилцан үйлчлэл

Үр ашигийг сайжруулах гурван чухал шинэчлэл:

• Графенээр бүрсэн гүйдлийн цуглуулагчид дотоод эсэргүүцлийг 40%-иар бууруулна
• 3D-ээр хэвлэсэн электродууд цахилгаан шилжилтийг хурдасгахын тулд гадаргын талбайг нэмэгдүүлнэ
• Өөрийгөө засварладаг найрлага 1000+ циклд трещин үүсэхийг багасгана

Лабораторийн үр дүнгээр эдгээр наноструктурууд Куллоны үр дүнтэй ажиллаж чадна. Гэвч илүү их хэмжээгээр үйлдвэрлэх нь зардал багатай үйлдвэрлэлийн хувьд хэвийн бэрхшээлтэй байна.

Өндөр энергийн нягт, бүтцийн задралын хоорондох харьцаа

Өндөр энерги бүхий баттерейн найдвартай байдлын асуудал нь энэ үед маш сайн мэдэгдэж байна. Жишээлбэл, никель ихтэй катодууд нь зөвхөн 100 цэнэглэлтийн дараа ойролцоогоор 15% багтаамж алдаж, литий-төмөр фосфаттай харьцуулахад харьцангуй муу ажилладаг. Материалын шинжлэх ухааны сэтгүүлд 2020 онд нийтлэгдсэн судалгаа гайхалтай зүйл харуулсан байна: үйл ажиллагааны үеэр никель агуулсан эд ангиуд жинхэнэдээ 2.3 дахин илүү томордог бөгөөд ингэснээр электрод дээрх износ хурдан явагддаг. Ухаалаг инженерчид сүүлийн үед энэ асуудлыг янз бүрийн арга замаар шийдвэрлэх болсон. Зарим нь бодит цагт нөхцөл байдалд тохируулан цэнэглэх адаптив аргачлал хэрэглэж байгаа бол, зарим нь хугацааны туршид хамгийн их стресс үүсдэг хэсгүүдийг зориулан олон давхаргатай электродын загваруудыг туршиж үзэж байна.

Найдвартай байдлыг алдалгүй хурдан цэнэглэх: Технологи ба хялбаршуулалт

Хурдан цэнэглэх нөхцөлд баттерейн үргэлжлэх хугацааг хадгалах асуудал

3C-ээс дээш хурдан цэнэглэх (баттерейн багтаамжийн гурван дахин) нь лити-ион баттерейн амьдралын хугацааг гурван жилийн турш 20%-иар бууруулдаг (Ponemon, 2023). Өндөр гүйдэл нэмэлт хэмийг үүсгэж, электролит задарч, анод трещинууд үүсгэдэг. Импульс цэнэглэх аргачлал нь өндөр гүйдлийн цохилтуудыг хөргөлтийн завсартай солино иймд лабораторийн орчинд 800 циклд хойш 95% багтаамжийг хадгалдаг.

Баттерейн амьдралын хугацааг хадгалахын тулд дулаан зохицуулах шинэчлэл

Хурдан цэнэглэх үед оновчтой температурыг (20–40°C) хадгалах нь маш чухал юм. Сүүлийн үеийн цахилгаан тээврийн хэрэгслүүдийн туршилтаар фаз өөрчлөх материал (PCMs) шингэн хөргөлтөөс 30% илүү их дулаан шингээдэг. Графен суурьтай дулааны заагийн материал (TIMs) нь энгийн силикон боовны харьцацаар дулаан шилжүүлэлтийг 40% сайжруулж, орон нутгийн халуун цэгүүдийг үүсэхээс сэргийлдэг.

Тохиолдол судалгаа: Цахилгаан тээврийн хэрэгсэл болон цахилгаан станцын хэмжээний BESS-д хурдан цэнэглэх аргачлал

Хамгийн их цахилгаан хөдөлгүүртэй машин үйлдвэрлэгчийн 350 кВт-ын ТС цэнэглэх систем нь цахилгаан эсэргүүцлийг бодит цагт хянах замаар хүчдэлийг динамик байдлаар тохируулж, лити плакийн эрсдэлийг хамгийн бага болгодог. Цахилгаан шугамын хэмжээний Батерейн Цэнэгийн Нөөцлөх Системүүд (BESS) нь солирох эрчим хүчний илүүдлийн үед хурдан цэнэглэж, 0.5C-аас доош цэнэгийг гаргалт хийх замаар амьдралын мөчлөгийг уртасгадаг.

Чиг хандлага: Бат бөх чанар, дахин цэнэглэх чадварыг оновчтой болгох зориулалттай тохируулагч цэнэглэх алгоритмууд

Машин сургалтын загварууд хэрэглээний хэв маягийг шинжилж, хувь хүнд тохирсон цэнэглэх загваруудыг бий болгодог. Нэгэн сүлжээний суурьтай систем нь дараах арга замаар ухаалаг утасны батерейн эрүүл мэндийг 18%-иар уртасгадаг:

• Цэнэгийн түвшин 80% ба түүнээс дээш болох үед цэнэглэх хурдыг хязгаарлах
• Хэрэглэх цагийг урьдчилан таамагласны дараа бүрэн цэнэглэхийг хойшлуулах
• Цэнэглэх үеийг илүү хүйтэн орчны температуртай нийлүүлэх

Эдгээр арга хэмжээнүүд нь 15 минутын дотор 70% хүртэл цэнэглэх боломжийг олгох бөгөөд 1000 мөчлөгийн дараа чадавхийн 90%-ийг хадгалж чаддаг.

Бодит ерөнхий хэрэглээнд бат бөх чанар, дахин цэнэглэх чадварыг масштаблах

Цахилгаан шугамын тэсвэрт чанар, солирох эрчим хүчний нэгтгэлтийн тулд Батерейн Цэнэгийн Нөөцлөх Системүүд (BESS)

Орчин үеийн BESS суурилуулалт нь 80% багтаамжийг хадгалан 15,000-с дээш циклд ажиллах боломжийг олгох бөгөөд цахилгаан станцуудад нар, салхи зэрэг цахилгааны тасралттай байдлыг тэнцвэржүүлэхэд тусалдаг. Зэврэлттэй зэс шугамын систем бүхий модуль хайрцаг нь үндсэн инфраструктурыг дахин загварчлахгүйгээр масштаблахад зориулсан сангийн тэлэлтийг боломж болгодог бөгөөд суурилуулалтын зардлыг 20–35%-иар бууруулдаг.

Гибрид систем: Суперконденсатор ба цахилгаан баттерейг хослуулан ашиглах нь үр дүнтэй ажиллагааг хангана

Суперконденсатор нь литий-ион баттерейд пик ачааллын стрессыг үзүүлэхгүйгээр аж үйлдвэрийн тоног төхөөрөмжид гэнэт гарч ирэх цахилгааны эрэлтийг хариулдаг. Энэ хамтын ажиллагаа нь цахилгаан холбооны нөөц системд гэмтэл гарах үед милисекундын хариу үйлдэл шаардлагатай тохиолдолд гибрид байгууламжийн стрессийг 40%-иар бууруулдаг.

Тэгш хандлагын дархлаа: Ажиллагааны чанар, нийлүүлэлтийн хэлхээний этик, орчин үеийн нөлөөг тэнцвэржүүлэх

Хөгжилтэй боловч тогтвортой цахиур баттерейг томруулах нь орчин үеийн асуудлыг илүү ихээр сэргээж байна — литийн уул уурхай нь цахиур баттерей холбоотой нийт нүүрстөрөгчийн ялгаралтын 65%-ийг эзэлдэг. Туршилтын төслүүдийн дагуу төмөр-агаарын цахиур баттерей нь литийн харгалзах баттерейтэй харьцуулахад амьдралын мөчлөгийн ялгаралтыг 85%-иар бууруулж, циклийн амьдралыг адилхан хадгалж чаддаг. Гэсэн хэдий ч, эдийн засгийн газар зүй болон батерей дахин боловсруулах бусдийн дутагдал нь өргөн хэрэглээг хязгаарлаж байна.

Түгээмэл асуулт

Цахиур баттерейн тогтвортой байдлын ба ажиллагааны гол хүчин зүйлс юу вэ?

Цахиур баттерей нь тогтвортой цахилгааныг алдахгүйгээр мянга мянган цэнэглэлтийн цикл давтах шаардлагатай. Электродын загварчлал болон сайжруулсан электролитын найрлага нь цахиур баттерейн тогтвортой байдлыг хүчтэй сайжруулсан.

Технологийн хөгжил цахиур баттерейн үйлчилгээний хугацааг хэрхэн сайжруулсан бэ?

Сүүлийн үеийн элементийн найрлага болон сайжруулсан цахиур баттерейн удирдлагын систем нь литий-ион цахиур баттерейн амьдралын хугацааг 12-15 жил болтол сунгасан бөгөөд тухайлбал, гэрэлтүүлгийн энерги хадгалах хэрэгслэд онцгой ач холбогдолтой.

Хатуу фазын цахиур баттерейн давуу талууд юу вэ?

Хатуу төлвийн баттерейнууд нь шатах шингэн электролитыг тогтвортой хатуу материалуудаар солидог. Эдгээр нь илүү урт насны мөчлөг, сайжруулсан аюулгүй байдал, тэсвэрт чанар сайтай бөгөөд олон цикл хийсний дараа ч 95% багтаамжийг хадгалдаг.

Натри-ион ба төмөр-агаарын баттерейнүүд яагаад ялгаатай вэ?

Натри-ионы баттерейнүүд натри их хэмжээтэй байдаг болохоор өртөг нь хямд бөгөөд эрчим хүчний нягтралыг хангалттай түвшинд өгдөг. Төмөр-агаарын баттерейнүүд орчны хүчилтөрөгчийг ашигладаг бөгөөд торын цикл, тэгш хандлагатай байдлыг хангахад тохиромжтой урт хугацааны цэнэгийг гаргадаг.

Хурдан цэнэглэх үед баттерейн насыг хадгалахад тусалдаг ямар ахиц чиглэлүүд байдаг вэ?

Фаз өөрчлөх материал, графены суурьт дулааны материал, импульст цэнэглэх протокол зэрэг инновацичууд нь хурдан цэнэглэх үед дулааныг удирдах, хамгийн тохиромжтой температурыг хадгалахад тусалж, баттерейн насыг хадгалдаг.