การเลือกโครงสร้างแบตเตอรี่สำหรับสถานการณ์การชาร์จและการคายประจุอัตราสูง: แบบเรียงซ้อนหรือแบบพันขดลวด?

ก่อตั้งขึ้นในปี 2545 เชี่ยวชาญด้านการผลิตอุปกรณ์สื่อสารและการบูรณาการระบบจัดเก็บพลังงาน และเป็นพันธมิตรที่ได้รับความไว้วางใจจากผู้ให้บริการโทรคมนาคมรายใหญ่ 4 รายของจีน

เมื่อระบบกักเก็บพลังงานต้องให้กำลังไฟฟ้าสูง การตอบสนองระดับมิลลิวินาที และการทำงานที่เสถียรในระยะยาวพร้อมกัน การออกแบบโครงสร้างแบตเตอรี่จึงไม่ใช่แค่เรื่องของกระบวนการผลิตอีกต่อไป แต่กลายเป็นพารามิเตอร์หลักของระบบที่กำหนดการควบคุมความต้านทานภายใน ประสิทธิภาพการจัดการความร้อน และอายุการใช้งาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์การชาร์จ/คายประจุ 3C–10C ขึ้นไปโครงสร้างภายในของเซลล์ส่งผลโดยตรงต่อการกระจายความต้านทาน การโพลาไรซ์ทางไฟฟ้าเคมี เส้นทางการแพร่กระจายความร้อน และการจัดการความเค้นทางกล

สำหรับวิศวกรที่เกี่ยวข้องกับการเลือกใช้ระบบจัดเก็บพลังงาน การเข้าใจความแตกต่างพื้นฐานระหว่างระบบต่างๆ นั้นเป็นสิ่งสำคัญ แบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อน และ เซลล์บาดแผล การทำงานภายใต้สภาวะที่มีอัตราสูงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบระบบที่เชื่อถือได้

บทความนี้วิเคราะห์ประสิทธิภาพทางเทคนิคของผลิตภัณฑ์ต่างๆ อย่างเป็นระบบ โครงสร้างแบตเตอรี่ ในการใช้งานที่มีอัตราสูงจากหลายมุมมอง รวมถึงเส้นทางกระแสไฟฟ้า ความต้านทานทางไฟฟ้าเคมี พฤติกรรมทางเทอร์โมไดนามิก ความเค้นเชิงโครงสร้าง และความเข้ากันได้ในการบูรณาการระบบ นอกจากนี้ยังสำรวจคุณค่าทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติในการออกแบบผลิตภัณฑ์จัดเก็บพลังงานในโลกแห่งความเป็นจริงอีกด้วย

1. กลไกการเชื่อมโยงระหว่างโครงสร้างและไฟฟ้าเคมีภายใต้สภาวะอัตราสูง

ภายใต้สภาวะอัตราการคายประจุต่ำ (≤1C) การสูญเสียแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่เกิดจากความต้านทานภายในของวัสดุและความต้านทานการขนส่งไอออนของอิเล็กโทรไลต์ ในขณะที่ผลกระทบจากความแตกต่างทางโครงสร้างนั้นค่อนข้างจำกัด
อย่างไรก็ตาม เมื่ออัตราเกินกว่านั้น 3Cความต้านทานโอห์มิก (Rₒ), ความต้านทานการถ่ายโอนประจุ (อาร์ซีทีและภาวะโพลาไรเซชันความเข้มข้นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และปัญหาการกระจายกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอภายในเซลล์ก็เริ่มปรากฏขึ้น

แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของแบตเตอรี่สามารถแสดงได้ดังนี้:

ที่ไหน Rₒ มีความสัมพันธ์อย่างมากกับความยาวของเส้นทางกระแสไฟฟ้าในตัวเก็บกระแสไฟฟ้าของอิเล็กโทรด

ในโครงสร้างแบบม้วน กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านตามความยาวของแผ่นอิเล็กโทรด ส่งผลให้เส้นทางการขนส่งอิเล็กตรอนค่อนข้างยาว ในทางตรงกันข้าม โครงสร้างแบบเรียงซ้อนใช้แผ่นโลหะหลายแผ่นที่เชื่อมต่อแบบขนานเพื่อแบ่งกระแสไฟฟ้า ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอิเล็กโทรดในทิศทางความหนา ซึ่งช่วยลดระยะทางการขนส่งอิเล็กตรอนได้อย่างมาก ภายใต้การปล่อยประจุแบบพัลส์ที่มีอัตราสูง ความแตกต่างของเส้นทางกระแสไฟฟ้านี้จะสะท้อนให้เห็นโดยตรงในแรงดันตกและปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้น

การทดสอบทางวิศวกรรมมักแสดงให้เห็นว่าเมื่ออัตราการไหลเพิ่มขึ้นจาก 1C ถึง 5C,
เส้นกราฟการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของเซลล์ที่ได้รับบาดเจ็บมีความชันสูงกว่าเส้นกราฟของเซลล์ที่เรียงซ้อนกันอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งบ่งชี้ว่า
ความเข้มข้นของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าภายในที่เด่นชัดยิ่งขึ้น ผลกระทบจากความเข้มข้นนี้ไม่เพียงแต่ส่งผลต่อค่าทันทีเท่านั้น
แม้จะมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็เร่งการเสื่อมสภาพของฟิล์ม SEI ทำให้ลดอายุการใช้งานลงด้วย

2. ลักษณะทางเทคนิคและข้อจำกัดอัตราสูงของโครงสร้างบาดแผล

กระบวนการพันขดลวดเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้วมากที่สุดในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียม และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเซลล์ทรงกระบอกและเซลล์ทรงปริซึมบางชนิด คุณลักษณะสำคัญคือ ขั้วแคโทด ตัวคั่น และขั้วแอโนดจะถูกพันอย่างต่อเนื่องตามลำดับ แคโทด–ตัวแยก–แอโนด–ตัวแยก เพื่อสร้างโครงสร้างแบบม้วนเจลลี่

การออกแบบนี้มีข้อดีหลายประการ ได้แก่ ประสิทธิภาพการผลิตสูง อุปกรณ์ทันสมัย ​​ต้นทุนที่ควบคุมได้ และความสม่ำเสมอที่ดี.

อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานที่มีอัตราสูง โครงสร้างบาดแผลจะเผชิญกับข้อจำกัดทางกายภาพหลายประการที่ยากจะหลีกเลี่ยง

ประการแรก ดีไซน์แท็บเดียวหรือแท็บจำกัด อาจนำไปสู่การกระจุกตัวของกระแสไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าสูงไหลผ่านเซลล์ กระแสไฟฟ้ามักจะไหลผ่านบริเวณใกล้กับขั้วสัมผัส ทำให้เกิดจุดที่มีกระแสไฟฟ้าสูงเฉพาะที่

ประการที่สอง การมีอยู่ของ แกนกลวงตรงกลาง ลดอัตราการใช้ประโยชน์เชิงปริมาตร ซึ่งจำกัดโอกาสในการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

ประการที่สาม การโค้งงอของแผ่นอิเล็กโทรดในระหว่างกระบวนการพันขดลวดทำให้เกิด... ความเค้นเชิงกลตกค้างซึ่งทำให้มีโอกาสมากขึ้นที่วัสดุที่ใช้งานอยู่จะหลุดร่วงระหว่างการปั่นจักรยานด้วยอัตราความเร็วสูงบ่อยครั้ง

แม้ว่าเทคโนโลยีการพันขดลวดแบบหลายแท็บและการดัดงอเบื้องต้นจะช่วยบรรเทาปัญหาเหล่านี้ได้บ้าง แต่โครงสร้างโดยพื้นฐานแล้วยังคงส่งผลให้เส้นทางการขนส่งอิเล็กตรอนค่อนข้างยาวและทำให้ยากที่จะลดความต้านทานภายในได้อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น ในการใช้งานที่เป้าหมายหลักคือประสิทธิภาพในอัตราสูง โครงสร้างแบบพันขดลวดจึงค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยโครงสร้างแบบเรียงซ้อน

3. ข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างและพื้นฐานทางกายภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบเรียงซ้อน

แบตเตอรี่ลิเธียมแบบเรียงซ้อน สร้างขึ้นโดยการวางแคโทด ตัวคั่น และแอโนดซ้อนกันทีละชั้น ข้อดีหลักของมันอยู่ที่... เส้นทางกระแสไฟฟ้าที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม และ การกระจายความเค้นที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น.

ประการแรก จากมุมมองของการกระจายกระแสไฟฟ้า โครงสร้างแบบเรียงซ้อนโดยทั่วไปจะใช้ เปิดหลายแท็บพร้อมกันทำให้กระแสไฟฟ้ากระจายตัวอย่างสม่ำเสมอมากขึ้นทั่วระนาบอิเล็กโทรด กระแสไฟฟ้าไหลผ่านชั้นอิเล็กโทรดในทิศทางความหนา ทำให้ระยะทางสั้นลงอย่างมากและลดความต้านทานโอห์มลง ในสถานการณ์การคายประจุข้างต้น 5Cส่งผลให้การลดแรงดันไฟฟ้าลดลงนั้นเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

ประการที่สอง ในแง่ของการจัดการความร้อน การจัดเรียงโครงสร้างแบบซ้อนกันเป็นชั้นๆ ช่วยให้การเกิดความร้อนมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ขณะเดียวกันก็ขจัดบริเวณที่มีความร้อนสะสมซึ่งเกิดจากแกนกลวงในเซลล์แบบพันขดลวด การกระจายความร้อนที่สม่ำเสมอมากขึ้นนี้ช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุด และเป็นพื้นฐานสนามความร้อนที่เหมาะสมยิ่งขึ้นสำหรับการออกแบบระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวหรืออากาศในระดับโมดูล

ประการที่สาม ในด้านเสถียรภาพทางกล โครงสร้างแบบเรียงซ้อนช่วยป้องกันการงอของอิเล็กโทรดและช่วยกระจายแรงกดได้สม่ำเสมอยิ่งขึ้น
ในระหว่างการชาร์จและคายประจุด้วยอัตราสูง ความถี่ของการขยายและหดตัวของอิเล็กโทรดจะเพิ่มขึ้น การออกแบบแบบเรียงซ้อนสามารถลดความเสี่ยงของการเสียรูปของแผ่นกั้นและการลัดวงจรขนาดเล็กที่เกิดจากความเข้มข้นของความเค้น ข้อมูลจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า ภายใต้ระบบวัสดุเดียวกัน เซลล์แบบเรียงซ้อนโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพที่ดีกว่า อัตราการรักษาศักยภาพสูงกว่า 10% มากกว่าเซลล์บาดแผลในการทดสอบวงจรอัตราสูง

4. ความสำคัญระดับระบบของความหนาแน่นของพลังงานและการใช้พื้นที่

ในการออกแบบระบบกักเก็บพลังงาน ความหนาแน่นของพลังงานไม่เพียงส่งผลต่อพารามิเตอร์ของเซลล์แต่ละเซลล์เท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อการออกแบบตู้โดยรวมและเศรษฐศาสตร์ของโครงการด้วย แกนกลางกลวงของเซลล์แบบม้วนย่อมลดการใช้ปริมาตรลง ในขณะที่โครงสร้างแบบเรียงซ้อนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พื้นที่ผ่านการเรียงซ้อนแบบชั้นเรียบ

ทั้งทฤษฎีและการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติบ่งชี้ว่าโครงสร้างแบบเรียงซ้อนสามารถบรรลุผลลัพธ์ได้ประมาณ ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรสูงขึ้น 5%–10%.

สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม การปรับปรุงนี้หมายถึง:

• สูงกว่า กิโลวัตต์ชั่วโมง/ม³
• ตู้เก็บของดีไซน์กะทัดรัดยิ่งขึ้น
• ลดความต้องการพื้นที่ห้องอุปกรณ์
• โครงสร้างต้นทุนการขนส่งและการติดตั้งที่ดีกว่า

เมื่อขนาดของระบบถึงระดับนั้น ระดับ MWhการปรับปรุงการใช้พื้นที่ที่เกิดจากความแตกต่างทางโครงสร้าง สามารถแปลงเป็นข้อได้เปรียบด้านต้นทุนทางวิศวกรรมที่สำคัญได้

5. ความท้าทายทางเทคนิคของกระบวนการเรียงซ้อนและแนวโน้มอุตสาหกรรม

กระบวนการเรียงซ้อนต้องการความแม่นยำสูงของอุปกรณ์ มีอัตราการผลิตที่ค่อนข้างช้ากว่าการม้วน และต้องใช้เงินลงทุนเริ่มต้นด้านอุปกรณ์สูงกว่า อย่างไรก็ตาม ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี เครื่องเรียงซ้อนความเร็วสูง ระบบจัดแนวด้วยภาพ และอุปกรณ์ตัดและเรียงซ้อนแบบครบวงจรประสิทธิภาพของกระบวนการนี้ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก อุปกรณ์ที่ทันสมัยบางชนิดได้ทำให้ประสิทธิภาพการเรียงซ้อนใกล้เคียงกับกระบวนการม้วนแล้ว

นอกจากนี้ การปรากฏตัวของ เทคโนโลยีอิเล็กโทรดแห้ง และ เทคโนโลยีไฮบริดแบบผสมผสานสำหรับกังหันลม ช่วยให้โครงสร้างแบบเรียงซ้อนสามารถรักษาข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพไว้ได้ ในขณะเดียวกันก็ค่อยๆ ลดช่องว่างด้านต้นทุนลง

การแข่งขันในอนาคตจะไม่ใช่แค่เรื่องของการเรียงซ้อนกับการพันอีกต่อไป แต่จะเป็นการค้นหาสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่าง... ประสิทธิภาพและสมรรถนะการผลิต.

6. จากโครงสร้างเซลล์สู่การบูรณาการทางวิศวกรรมระดับระบบ

ในการใช้งานด้านการจัดเก็บพลังงาน การเลือกโครงสร้างเซลล์ต้องพิจารณาควบคู่ไปกับการออกแบบในระดับระบบ

แบตเตอรี่แบบเรียงซ้อนที่มีความต้านทานต่ำทำงานได้ดีกว่าในสถานการณ์การต่อแบบขนาน ให้ความสม่ำเสมอของแรงดันไฟฟ้าที่ดีกว่า และทำให้ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ทำงานได้ง่ายขึ้น การประมาณค่า SOC และการควบคุมสมดุลในขณะเดียวกัน คุณลักษณะการกระจายความร้อนของวัสดุเหล่านี้ยังเหมาะสมกว่าสำหรับความต้องการในการชาร์จ/คายประจุอย่างรวดเร็วของระบบอินเวอร์เตอร์กำลังสูง

ในการออกแบบระบบกักเก็บพลังงานแบบโมดูลาร์ของเรา เราได้นำเอา... โซลูชันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบวางซ้อนได้ ระบบนี้ผสานโครงสร้างเซลล์ประสิทธิภาพสูงเข้ากับระบบจัดการแบตเตอรี่อัจฉริยะ (BMS) เพื่อให้สามารถขยายกำลังการผลิตได้อย่างยืดหยุ่นและให้เอาต์พุตอัตราสูงที่เสถียร ระบบรองรับการชาร์จและการคายประจุอย่างรวดเร็ว มีอายุการใช้งานยาวนาน บำรุงรักษาน้อย และเหมาะสำหรับ... การจัดเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม การบูรณาการพลังงานแสงอาทิตย์และระบบจัดเก็บพลังงาน และการใช้งานระบบสำรองไฟกำลังสูง.

การออกแบบแบบโมดูลาร์ไม่เพียงแต่ช่วยลดแรงกดดันด้านการลงทุนในระยะเริ่มต้นเท่านั้น แต่ยังทำให้การขยายกำลังการผลิตในอนาคตสะดวกยิ่งขึ้นอีกด้วย

7. หลักการตัดสินใจทางวิศวกรรมสำหรับการเลือกโครงสร้าง

ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม การเลือกโครงสร้างควรได้รับการประเมินอย่างรอบด้านโดยพิจารณาจากมิติต่อไปนี้:

• หากแอปพลิเคชันนั้นมีจุดประสงค์หลักคือ... อัตราต่ำและอ่อนไหวต่อต้นทุนโครงสร้างของบาดแผลดังกล่าวมีข้อดีคือมีความเป็นผู้ใหญ่และคุ้มค่าในด้านต้นทุน
• หากระบบต้องการ การปล่อยกระแสไฟฟ้าแรงสูงบ่อยครั้ง ความสามารถในการชาร์จ/คายประจุอย่างรวดเร็ว หรืออายุการใช้งานที่ยาวนานโครงสร้างแบบเรียงซ้อนให้ข้อได้เปรียบทางเทคนิคที่แข็งแกร่งกว่า
• หากโครงการดำเนินต่อไป ความหนาแน่นพลังงานสูงและการออกแบบที่กะทัดรัดยิ่งขึ้นโครงสร้างแบบเรียงซ้อนนั้นเหนือกว่าทั้งในแง่ของการใช้พื้นที่และการจัดการความร้อน

สาระสำคัญของแอปพลิเคชันที่มีอัตราสูงคือ ให้ความสำคัญกับพลังงานมากกว่าความจุ.
เมื่อวัตถุประสงค์ของระบบเปลี่ยนจากการจัดเก็บพลังงานแบบธรรมดาไปเป็นการสนับสนุนพลังงานและการตอบสนองแบบไดนามิก การเลือกใช้... โครงสร้างแบตเตอรี่ ต้องมุ่งไปสู่การลดความต้านทานภายในและเพิ่มความสม่ำเสมอให้มากขึ้น

โครงสร้างคือความสามารถในการแข่งขันในยุคอัตราดอกเบี้ยสูง

พบกับ เส้นทางกระแสไฟฟ้าสั้นลง การกระจายความร้อนสม่ำเสมอมากขึ้น และเสถียรภาพทางกลที่ดีขึ้นที่ แบตเตอรี่ลิเธียมแบบเรียงซ้อน กำลังถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ ในแอปพลิเคชันที่มีอัตราข้อมูลสูง

สำหรับบริษัทที่วางแผนระบบจัดเก็บพลังงานหรือปรับปรุงผลิตภัณฑ์ การเลือกโครงสร้างแบตเตอรี่ที่เหมาะสมไม่ใช่แค่เรื่องทางเทคนิคเท่านั้น แต่ยังเป็นเรื่องของความน่าเชื่อถือในระยะยาวและผลตอบแทนจากการลงทุนของโครงการด้วย