उच्च दराच्या चार्ज आणि डिस्चार्ज परिस्थितींसाठी बॅटरी संरचनेची निवड: स्टॅकिंग की वाइंडिंग?

२००२ मध्ये स्थापित, दळणवळण उपकरण निर्मिती आणि ऊर्जा साठवण एकीकरणामध्ये विशेषज्ञ, आणि चीनच्या चार प्रमुख दूरसंचार कंपन्यांचा एक विश्वासार्ह भागीदार.

जेव्हा ऊर्जा साठवण प्रणालीला एकाच वेळी उच्च पॉवर आउटपुट, मिलिसेकंद-स्तरीय प्रतिसाद आणि दीर्घकालीन स्थिर कार्यप्रणाली प्रदान करणे आवश्यक असते, तेव्हा बॅटरीची संरचनात्मक रचना ही केवळ उत्पादन-प्रक्रियेची बाब राहत नाही. त्याऐवजी, ती एक मुख्य प्रणाली मापदंड बनते, जी अंतर्गत रोध नियंत्रण, औष्णिक व्यवस्थापन कार्यक्षमता आणि चक्रायुष्य निश्चित करते. विशेषतः चार्ज/डिस्चार्जच्या परिस्थितीत ३°C–१०°C आणि त्याहून अधिकपेशीची अंतर्गत रचना रोध वितरण, इलेक्ट्रोकेमिकल ध्रुवीकरण, उष्णता प्रसार मार्ग आणि यांत्रिक ताण व्यवस्थापनावर थेट परिणाम करते.

ऊर्जा साठवण प्रणाली निवडणाऱ्या अभियंत्यांसाठी, यामधील मूलभूत फरक समजून घेणे महत्त्वाचे आहे. स्टॅक केलेल्या लिथियम बॅटरी आणि जखमेच्या पेशी विश्वसनीय प्रणाली रचना साध्य करण्यासाठी उच्च-दराच्या कार्यस्थितीत हे आवश्यक आहे.

या लेखात वेगवेगळ्या तांत्रिक कामगिरीचे पद्धतशीरपणे विश्लेषण केले आहे. बॅटरी संरचना उच्च-दर अनुप्रयोगांमध्ये, विद्युत प्रवाहाचा मार्ग, इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा, थर्मोडायनामिक वर्तन, संरचनात्मक ताण आणि प्रणाली एकीकरण सुसंगतता यासह अनेक दृष्टिकोनांतून त्यांचे विश्लेषण केले जाते. तसेच, वास्तविक ऊर्जा साठवण उत्पादनांच्या डिझाइनमधील त्यांचे व्यावहारिक अभियांत्रिकी मूल्य देखील तपासले जाते.

१. उच्च-दराच्या परिस्थितीत इलेक्ट्रोकेमिकल-स्ट्रक्चरल कपलिंग यंत्रणा

कमी-दर परिस्थितीत (≤1C), बॅटरी व्होल्टेजमधील घट प्रामुख्याने पदार्थांच्या अंगभूत रोधामुळे आणि इलेक्ट्रोलाइटच्या आयनिक वहन रोधामुळे होते, तर संरचनात्मक फरकांचा प्रभाव तुलनेने मर्यादित असतो.
तथापि, एकदा दर ओलांडला की 3C, ओमिक प्रतिरोध (Rₒ), चार्ज-ट्रान्सफर रेझिस्टन्स (Rctआणि, सांद्रता ध्रुवीकरण झपाट्याने वाढते, आणि सेलच्या आत विद्युत प्रवाहाच्या असमान वितरणाची समस्या निर्माण होऊ लागते.

बॅटरीचे टर्मिनल व्होल्टेज खालीलप्रमाणे व्यक्त केले जाऊ शकते:

जेथे Rₒ इलेक्ट्रोड करंट कलेक्टरमधील वर्तमान मार्गाच्या लांबीशी अत्यंत सहसंबद्ध आहे.

गुंडाळलेल्या संरचनेत, विद्युत प्रवाह इलेक्ट्रोड शीटच्या लांबीच्या दिशेने प्रसारित होतो, ज्यामुळे इलेक्ट्रॉन वहनाचा मार्ग तुलनेने लांब होतो. याउलट, स्टॅक केलेल्या संरचनेत विद्युत प्रवाह विभागण्यासाठी समांतर जोडलेल्या अनेक टॅबचा वापर केला जातो, ज्यामुळे तो इलेक्ट्रोडमधून जाडीच्या दिशेने जाऊ शकतो आणि इलेक्ट्रॉन वहनाचे अंतर लक्षणीयरीत्या कमी होते. उच्च-दराच्या पल्स डिस्चार्जच्या परिस्थितीत, विद्युत प्रवाहाच्या मार्गातील हा फरक व्होल्टेजमधील घट आणि उष्णता निर्मितीच्या तीव्रतेमध्ये थेट दिसून येतो.

अभियांत्रिकी चाचण्यांमध्ये अनेकदा असे दिसून येते की जेव्हा विसर्ग दर वाढतो 1C ते 5C,
गुंडाळलेल्या पेशींच्या तापमान वाढीच्या वक्राचा उतार, रचलेल्या पेशींच्या तुलनेत लक्षणीयरीत्या जास्त तीव्र असतो, जे हे दर्शवते की...
अंतर्गत विद्युत प्रवाहाच्या घनतेचे अधिक स्पष्ट केंद्रीकरण. हा केंद्रीकरणाचा परिणाम केवळ तात्कालिक गोष्टींवरच परिणाम करत नाही.
कार्यक्षमता वाढवते, पण त्याचबरोबर SEI फिल्मचा ऱ्हासही वेगवान करते, त्यामुळे चक्रायुष्य कमी होते.

२. जखमेच्या संरचनेची तांत्रिक वैशिष्ट्ये आणि उच्च-दर मर्यादा

वाइंडिंग प्रक्रिया ही लिथियम बॅटरी उद्योगातील सर्वात प्रगत तांत्रिक पद्धत आहे आणि ती विशेषतः दंडगोलाकार सेल आणि काही प्रिझमॅटिक सेलसाठी योग्य आहे. याचे मुख्य वैशिष्ट्य म्हणजे कॅथोड, सेपरेटर आणि ॲनोड हे एका विशिष्ट क्रमाने सतत गुंडाळले जातात. कॅथोड–सेपरेटर–ॲनोड–सेपरेटर जेलीरोलसारखी रचना तयार करणे.

या डिझाइनचे अनेक फायदे आहेत, ज्यामध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे: उच्च उत्पादन कार्यक्षमता, अत्याधुनिक उपकरणे, नियंत्रणीय खर्च आणि उत्तम सुसंगतता.

मात्र, उच्च-दराच्या अनुप्रयोगांमध्ये, जखमेच्या संरचनांना अनेक भौतिक मर्यादांचा सामना करावा लागतो, ज्या टाळणे कठीण असते.

पहिला, सिंगल-टॅब किंवा लिमिटेड-टॅब डिझाइन यामुळे विद्युत प्रवाहाचे केंद्रीकरण होऊ शकते. जेव्हा सेलमधून उच्च विद्युत प्रवाह जातो, तेव्हा तो प्राधान्याने टॅब्सजवळील भागांमधून वाहतो, ज्यामुळे स्थानिक उष्ण केंद्रे (हॉट स्पॉट्स) तयार होतात.

दुसरे म्हणजे, ची उपस्थिती मध्यवर्ती पोकळ गाभा त्यामुळे घनफळाचा वापर कमी होतो, परिणामी ऊर्जा घनतेमध्ये पुढील सुधारणेला वाव मर्यादित होतो.

तिसरे, गुंडाळण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान इलेक्ट्रोड शीट वाकल्यामुळे... अवशिष्ट यांत्रिक ताणज्यामुळे वारंवार उच्च-दराच्या सायकलिंग दरम्यान सक्रिय सामग्री गळण्याची शक्यता वाढते.

जरी मल्टी-टॅब वाइंडिंग आणि प्री-बेंडिंग तंत्रज्ञान यापैकी काही समस्या कमी करू शकतात, तरीही मूळ रचनेमुळे इलेक्ट्रॉन वहनाचे मार्ग तुलनेने लांब राहतात आणि अंतर्गत रोध लक्षणीयरीत्या कमी करणे कठीण होते. त्यामुळे, ज्या अनुप्रयोगांमध्ये उच्च-दराची कामगिरी हे प्राथमिक उद्दिष्ट असते, तिथे वाइंडिंग केलेल्या रचनांची जागा हळूहळू स्टॅक केलेल्या रचना घेत आहेत.

३. एकावर एक रचलेल्या लिथियम बॅटरींचे संरचनात्मक फायदे आणि भौतिक आधार

स्टॅक केलेल्या लिथियम बॅटरी कॅथोड, सेपरेटर आणि ॲनोड एकावर एक रचून त्यांची रचना केली जाते. त्यांचे मुख्य फायदे यात आहेत: ऑप्टिमाइझ केलेले वर्तमान मार्ग आणि अधिक एकसमान ताण वितरण.

प्रथम, वर्तमान वितरणाच्या दृष्टिकोनातून, स्टॅक केलेल्या संरचनांमध्ये सामान्यतः वापरले जाते एकाच वेळी अनेक टॅबत्यामुळे इलेक्ट्रोडच्या प्रतलावर विद्युत प्रवाहाचे अधिक एकसमान वितरण शक्य होते. विद्युत प्रवाह इलेक्ट्रोडच्या थरांमधून जाडीच्या दिशेने जातो, ज्यामुळे मार्ग लक्षणीयरीत्या लहान होतो आणि परिणामी ओमिक रोध कमी होतो. वरील डिस्चार्ज परिस्थितींमध्ये 5Cत्यामुळे व्होल्टेज ड्रॉपमध्ये होणारी सुधारणा विशेषतः ठळकपणे दिसून येते.

दुसरे म्हणजे, औष्णिक व्यवस्थापनाच्या दृष्टीने, स्टॅक केलेल्या संरचनेची स्तरित मांडणी उष्णता निर्मिती अधिक एकसमान होण्यास मदत करते, तसेच वाउंड सेल्समधील पोकळ गाभ्यामुळे निर्माण होणारे उष्णता संचय क्षेत्र नाहीसे करते. हे अधिक एकसमान औष्णिक वितरण स्थानिक अतिउष्णतेचा धोका कमी करते आणि मॉड्यूल-स्तरीय द्रव शीतकरण किंवा वायु शीतकरण प्रणालीच्या डिझाइनसाठी अधिक अनुकूल औष्णिक क्षेत्राचा पाया प्रदान करते.

तिसरे, यांत्रिक स्थिरतेच्या बाबतीत, एकावर एक रचलेल्या संरचनांमुळे इलेक्ट्रोड वाकणे टळते आणि ताणाचे अधिक समान वितरण होते.
उच्च-दराच्या सायकलिंग दरम्यान, इलेक्ट्रोडच्या प्रसरण आणि आकुंचनाची वारंवारता वाढते. स्टॅक्ड डिझाइनमुळे ताण एकाग्रतेमुळे होणारे सेपरेटरचे विरूपण आणि सूक्ष्म-शॉर्ट सर्किट्सचा धोका कमी होऊ शकतो. प्रायोगिक डेटा दर्शवितो की, समान मटेरियल सिस्टम अंतर्गत, स्टॅक्ड सेल्स सामान्यतः एक क्षमता टिकवून ठेवण्याचा दर १०% पेक्षा जास्त उच्च-दर चक्र चाचणीमध्ये जखम झालेल्या पेशींपेक्षा.

४. ऊर्जा घनता आणि अवकाश वापराचे प्रणाली-स्तरावरील महत्त्व

ऊर्जा साठवण प्रणालीच्या डिझाइनमध्ये, ऊर्जा घनता केवळ एका सेलच्या पॅरामीटर्सवरच नव्हे, तर संपूर्ण कॅबिनेट डिझाइन आणि प्रकल्पाच्या आर्थिक बाबींवरही परिणाम करते. गुंडाळलेल्या सेल्सचा मध्यवर्ती पोकळ गाभा अपरिहार्यपणे आकारमानाचा वापर कमी करतो, तर एकावर एक रचलेल्या संरचना सपाट-थर रचनेद्वारे जागा भरण्याची कार्यक्षमता सुधारतात.

सिद्धांत आणि व्यावहारिक उपयोग या दोन्हीवरून असे दिसून येते की, रचलेल्या संरचना अंदाजे साध्य करू शकतात. ५%–१०% जास्त घनफळ ऊर्जा घनता.

व्यावसायिक आणि औद्योगिक ऊर्जा साठवण प्रणालींसाठी, या सुधारणेमुळे खालील गोष्टी साध्य होतात:

• उच्च kWh/m³
• अधिक संक्षिप्त स्टोरेज कॅबिनेट डिझाइन
• कमी उपकरण कक्ष जागेची आवश्यकता
• उत्तम वाहतूक आणि स्थापना खर्च रचना

जेव्हा सिस्टमचा स्केल पोहोचतो MWh पातळीसंरचनात्मक फरकांमुळे जागेच्या वापरात होणारी सुधारणा लक्षणीय अभियांत्रिकी खर्चाच्या फायद्यांमध्ये रूपांतरित केली जाऊ शकते.

५. स्टॅकिंग प्रक्रियेतील तांत्रिक आव्हाने आणि उद्योग क्षेत्रातील प्रवाह

स्टॅकिंग प्रक्रियेसाठी उपकरणांची उच्च अचूकता आवश्यक असते, वाइंडिंगच्या तुलनेत याचा उत्पादन टॅक्ट टाइम तुलनेने कमी असतो आणि यात उपकरणांमध्ये जास्त प्रारंभिक गुंतवणूक करावी लागते. तथापि, परिपक्वतेसह उच्च-गती स्टॅकिंग मशीन, व्हिजन अलाइनमेंट सिस्टीम आणि एकात्मिक कटिंग-अँड-स्टॅकिंग उपकरणेत्याची कार्यक्षमता लक्षणीयरीत्या सुधारली आहे. काही प्रगत उपकरणांमुळे स्टॅकिंगची कार्यक्षमता आधीच वाइंडिंग प्रक्रियेच्या कार्यक्षमतेच्या जवळपास पोहोचली आहे.

याव्यतिरिक्त, चा उदय कोरड्या-इलेक्ट्रोड तंत्रज्ञान आणि हायब्रीड स्टॅक-विंड एकात्मिक तंत्रज्ञान यामुळे स्टॅक्ड स्ट्रक्चर्सना कार्यक्षमतेचे फायदे टिकवून ठेवताना खर्चातील तफावत हळूहळू कमी करणे शक्य होत आहे.

भविष्यातील स्पर्धा ही केवळ रचणे विरुद्ध गुंडाळणे इतकीच मर्यादित राहणार नाही, तर ती दोन्हींमधील सर्वोत्तम संतुलनाचा शोध असेल. उत्पादन कार्यक्षमता आणि कामगिरी.

६. पेशी संरचनेपासून प्रणाली-स्तरीय अभियांत्रिकी एकात्मतेपर्यंत

ऊर्जा साठवणुकीच्या अनुप्रयोगांमध्ये, सेल संरचनेची निवड प्रणाली-स्तरीय डिझाइनच्या समन्वयाने विचारात घेतली पाहिजे.

कमी रोध असलेले स्टॅक्ड सेल्स पॅरलल एक्सपान्शनच्या परिस्थितीत अधिक चांगली कामगिरी करतात, ज्यामुळे व्होल्टेजमध्ये अधिक सातत्य येते आणि बीएमएसला (BMS) आपले काम करणे सोपे जाते. SOC अंदाज आणि संतुलन नियंत्रणत्याचबरोबर, त्यांची औष्णिक वितरण वैशिष्ट्ये उच्च-शक्तीच्या इन्व्हर्टर प्रणालींच्या जलद चार्ज/डिस्चार्जच्या गरजांसाठी अधिक अनुकूल आहेत.

आमच्या मॉड्युलर ऊर्जा साठवण प्रणालीच्या डिझाइनमध्ये, आम्ही अवलंबतो स्टॅक करण्यायोग्य लिथियम-आयन बॅटरी सोल्यूशन जी लवचिक क्षमता विस्तार आणि स्थिर उच्च-दर आउटपुट साध्य करण्यासाठी उच्च-कार्यक्षम सेल संरचनांना एका बुद्धिमान BMS सोबत जोडते. ही प्रणाली जलद चार्ज आणि डिस्चार्जला समर्थन देते, दीर्घ सायकल आयुष्य आणि कमी देखभाल ही तिची वैशिष्ट्ये आहेत, आणि ती यासाठी योग्य आहे. व्यावसायिक आणि औद्योगिक ऊर्जा साठवण, पीव्ही-स्टोरेज एकत्रीकरण, आणि उच्च-शक्ती बॅकअप पॉवर अनुप्रयोग.

मॉड्युलर डिझाइनमुळे केवळ सुरुवातीच्या गुंतवणुकीचा ताण कमी होत नाही, तर भविष्यातील क्षमता विस्तारही अधिक सोयीस्कर होतो.

७. संरचना निवडीसाठी अभियांत्रिकी निर्णय तर्कशास्त्र

अभियांत्रिकी व्यवहारात, संरचनात्मक निवडीचे मूल्यांकन खालील बाबींच्या आधारे सर्वसमावेशकपणे केले पाहिजे:

• जर अर्ज प्रामुख्याने कमी दर आणि खर्च-संवेदनशीलजखमेची रचना परिपक्वता आणि किफायतशीरपणाचे फायदे देते.
• जर प्रणालीला आवश्यकता असेल वारंवार उच्च-प्रवाहाचे स्पंद, जलद चार्ज/डिस्चार्ज क्षमता, किंवा दीर्घ चक्रायुष्य, थरांच्या रचनेमुळे अधिक मजबूत तांत्रिक फायदे मिळतात.
• जर प्रकल्प पुढे चालू ठेवेल उच्च पॉवर घनता आणि अधिक संक्षिप्त डिझाइनरचनेची मांडणी जागेचा वापर आणि उष्णता व्यवस्थापन या दोन्ही बाबतीत श्रेष्ठ आहे.

उच्च-दर अनुप्रयोगांचे सार हे आहे क्षमता प्राधान्याऐवजी शक्ती प्राधान्य.
जेव्हा प्रणालीचे उद्दिष्ट साध्या ऊर्जा साठवणुकीपासून बदलून ऊर्जा सहाय्य आणि गतिशील प्रतिसादाकडे वळते, तेव्हा निवडीची आवश्यकता असते. बॅटरी संरचना कमी अंतर्गत रोध आणि अधिक एकसमानतेकडे वाटचाल केली पाहिजे.

उच्च दरांच्या युगात संरचना हीच स्पर्धात्मकता आहे

त्याच्या सह लहान विद्युत प्रवाह मार्ग, अधिक एकसमान औष्णिक वितरण आणि उत्तम यांत्रिक स्थिरता, स्टॅक केलेली लिथियम बॅटरी उच्च-दर अनुप्रयोगांमध्ये याचा अवलंब अधिकाधिक व्यापकपणे केला जात आहे.

ऊर्जा साठवण प्रणालीची योजना आखणाऱ्या किंवा आपली उत्पादने अद्ययावत करणाऱ्या कंपन्यांसाठी, योग्य बॅटरी संरचना निवडणे हा केवळ एक तांत्रिक मुद्दा नसून, तो दीर्घकालीन विश्वसनीयता आणि प्रकल्पातील गुंतवणुकीवरील परताव्याचाही प्रश्न आहे.