Millised on kõrgkvaliteediliste liitiumioonakude nõuded?

Liitiumioonakud on muutunud kaasaegse energiamahtuvuse alustalaks, toites kõike elektriautodest ja taastuvenergia süsteemidest kuni käepäraselt kasutatavate elektroonikaseadmeteni ja tööstusliku varuenergia süsteemideni. Siiski ei ole kõik liitiumioonakud ühesugused. Nõudlikutes rakendustes, kus usaldusväärsus, jõudlus ja ohutus on tingimata vajalikud, on oluline mõista kõrgkvaliteedilise liitiumioonaku peamisi nõudeid. Üldiselt määravad ülima kvaliteediga aku kolm põhikriteeriumit: pikk kasutusiga, kõrge energiatihedus ja võimsustihedus ning usaldusväärne ohutusjõudlus. Selles artiklis vaadatakse igat nõuet üksikasjalikult läbi ja selgitatakse, miks need on olulised reaalsetes rakendustes.

Nõue nr 1: Pikk kasutusiga

Kõrgkvaliteedilise liitiumioonide akuga peab olema pikk ja ennustatav kasutusiga. Tööstuses hinnatakse akude eluiga tavaliselt kahe täiendava näitaja abil: tsüklitelugu ja kalendritelugu.

- Tsükli eluiga  viitab täielike laadimis- ja scarlade tsüklite arvule, mille käigus aegub aegumine kuni jääkkapatsiteet langeb alla kindlaksmääratud läve —tavaliselt 80% algsest niminaalsetest kapatsiteedist. Näiteks kui tootja väidab 2000 tsüklit, peaks aeguma jääkkapatsiteet pärast neid tsükleid standardtingimustes ikka vähemalt 80% ulatuses.

- Kalendriaeg  viitab kogu ajale, mille jooksul aeguma on funktsionaalne —kas aktiivselt kasutatuna või ladustatuna —enne kui jääkkapatsiteet langeb sama 80% läve alla. Kalendriaegumine toimub keemiliste kõrvalreaktsioonide tõttu isegi siis, kui aeguma ei kasutata.

Elu lõpp on üldiselt defineeritud kui hetk, mil aeguma kapatsiteet standardtingimustes (tavaliselt 25 °C ümbritseva temperatuur, standardne atmosfäärirõhk ja 0,2C laadimis-/lahtilaadimiskiirus). Tsükliteloomus arvutatakse tavaliselt täielike laadimis- ja lahtilaadimistsüklite põhjal. Töö ajal põhjustavad irreversibeld elektrokeemilised reaktsioonid elemendis —nt elektrolüüdi lagunemine ja aktiivmaterjali degradatsioon —järkjärgulist mahukuse kaotust. Eksperimentaalne tõendusmaterjal näitab, et kõrgemad lahtilaadimiskiirused kiirendavad mahukuse vähenemist, samas kui madalamad lahtilaadimistoomud võimaldavad aku pingel jääda lähemale tasakaalule, vabastades rohkem kasutatavat energiat ja pikendades efektiivset eluiga.

Elektriautode, võrguenergiatalletussüsteemide ja UPS-süsteemide puhul tähendab pikk tsükli- ja kalendriloomus otsest väiksemat kogukulu omanikule ning vähem akuvahetusi süsteemi eluaja jooksul.

Nõue nr 2: Kõrge energia- ja võimsustihedus

Energia tihedus ja võimsuse tihedus on kaks olulist toimimisnäitajat, mis määravad, kui palju energiat akus saab salvestada ja kui kiiresti seda energiat saab välja anda.

Energiatihedus  on defineeritud kui salvestatud energia kogus ühiku ruumala või massi kohta. Tavaliselt jagatakse see kaheks mõõtmeks:

- Massiline energia tihedus  (Wh/kg) = Akukapatsiteet × Laadimisplatvorm / Kaal

- Ruumalaenergia tihedus  (Wh/L) = Akukapatsiteet × Laadimisplatvorm / Ruumala

Mida kõrgem on energia tihedus, seda rohkem elektrit saab salvestada antud kaalas või ruumalas. See on eriti oluline elektriautode puhul, kus ruumi- ja kaalapiirangud mõjutavad otseselt sõiduulatuse ja sõiduki tõhusust.

Võimsustihedus  viitab maksimaalsele laadimisvõimsusele ühiku kaalu või ruumala kohta. See näitab, kui kiiresti akus saab energia vabastada. Kõrge võimsuse tihedus on oluline rakendustes, kus on vaja kiiret kiirendust, kiiret laadimist või kõrgemat täispikoormust.

Piiratud ruumis, nagu teetranspordivahendites, on energiatiheduse ja võimsustiheduse suurendamine kõige tõhusam viis üldise jõudluse parandamiseks. Lisaks kasutavad paljud valitsuslikud toetuskavad —sealhulgas suurtes EV-turgudes kehtivad toetuskavad —energiatihedust ja võimsustihedust oluliste läveväärtustena toetustaseme määramiseks, mis veelgi rõhutab nende kaubanduslikku tähtsust.

Siiski eksisteerib energiatiheduse ja ohutuse vahel loomupärane kompromiss. Energia tiheduse suurenemisega salvestab akus rohkem aktiivset materjali väiksemas ruumis, mis võib suurendada soojusliku läbipõlemise ohtu ja muuta ohutuse juhtimise keerulisemaks. Seetõttu peavad kvaliteetsete akude tootjad tasakaalustama neid vastuolusid tänu edasijõudnud materjalidele, kindlale rakukonstruktsioonile ja nutikatele akujuhiksüsteemidele.

Nõue nr 3: Usaldusväärne ohutusjõudlus

Turvalisus on iga liitiumioonakumulaatori põhiline nõue, eriti kuna energiatihedus jätkab kasvamist. Liitiumioonakumulaatori turvalisus sõltub kahest laiemast tegurist: sisemiste materjalide stabiilsusest ja abiturvalisusmeetmete tõhususest.

Sisemiste materjalide stabiilsus  hõlmab positiivse ja negatiivse elektroodi materjalide, eraldaja ja elektrolüüdi keemilist ja soojuslikku stabiilsust. Kõrgklassiline aku kasutab hoolikalt valitud materjale, mis vastuvad lagunemisele, takistavad sisemisi lühisühendeid ja säilitavad struktuurilise terviklikkuse nii tavatingimustes kui ka ebatavalistes olukordades. Eriliselt peab eraldaja säilitama oma mehaanilise tugevuse ja poroossuse ka kõrgematel temperatuuridel, et vältida elektroodide otseseid kokkupuuteid.

Abiturvalisusmeetmed  pakuvad täiendavat kaitsetasemet. Need hõlmavad:

- Turvalisusventiile  mis vabastavad sisemist rõhku enne seda, kui akukorpuse külgede purunemine toimub

- Lõhked  mis katkestavad voolu ülekoormuse korral

- Positiivse temperatuurikoefitsiendiga (PTC) takistid  mille takistus suureneb temperatuuri tõusuga, piirates seeläbi voolu

- Akkuhaldussüsteemid (BMS)  mis jälgivad pinget, temperatuuri ja voolu reaalajas ning võtavad kaitsetoiminguid, kui tuvastatakse ebatavalised tingimused

Kokku aitavad need omadused ennetada katastrooflikke rikeid, näiteks soojuslikku lähtumist, tuld või plahvatust. Kõrgkvaliteediliste liitiumioonide akude puhul tuleb järgida rahvusvahelisi ohutusstandardeid, näiteks UN38.3, IEC 62133 ja UL 1642, et tagada nende vastupidavus ülelaadimisele, lühisühendusele, survele, naelapenetratsioonile ja soojuslikule koormusele ilma ohutuse kaotamiseta.

Miks need nõuded on olulised

Süsteemiintegratorite, OEM-ide ja lõppkasutajate jaoks akus valik, mis vastab kõigile kolmele nõudele —pikk eluiga, kõrge energiatihedus/võimsustihedus ja ohutus —on kriitiliselt tähtis. Akut, millel on suurepärane energiatihedus, kuid halb tsüklite eluiga, tuleb sageli asendada, mis suurendab pikaajalisi kulusid. Akut, millel on pikk eluiga, kuid ebapiisavad turvalisusomadused, ei saa kasutada tihedalt asustatud või tundlikus keskkonnas, sest see kaasab lubamatuid riske. Ainult need akud, mis ületavad kõik kolm mõõdet, võib pidada tõeliselt kõrgkvaliteedilisteks.

Kohustuslik väljaandmine

Kõrgkvaliteedilisi liitiumioonakusid iseloomustab rohkem kui ainult maht. Pikk kasutusiga tagab majandusliku elujõulisuse ja töökindluse. Kõrge energiatihedus ja võimsustihedus võimaldab kompaktseid ja kõrgtehnilisi disainilahendusi. Usaldusväärne turvalisus kaitseb inimesi, vara ja seadmeid. Organisatsioonidele, kes kasutavad akupõhiseid süsteeme —kas elektriautodes, taastuvenergia salvestussüsteemides või missioonikriitilistes varuvalgustuslahendustes —nende kolme nõude mõistmine on esimene samm õige investeerimisotsuse tegemisel.

---

Shenzhen UPSEN Electronic CO., LTD.

Müügitelefon:  +86-755-29610051

Müügiemail:  [email protected]

Veebileht:  www.upsen.net