في عملية تسريع الانتقال العالمي إلى الطاقة النظيفة ، أصبحت أهمية أنظمة تخزين الطاقة كحلقة رئيسية في موازنة إمدادات الطاقة والطلب وتحسين استقرار الطاقة بشكل متزايد. أصبحت بطاريات الليثيوم ، مع مزاياها عالية الكثافة للطاقة ، وحياة دورة طويلة ، وانخفاض معدل التفريغ الذاتي ، التكنولوجيا السائدة في مجال تخزين الطاقة. من خلال الابتكار المستمر لعلوم المواد وعمليات التصنيع ، فإنهم يواصلون تحقيق اختراقات الأداء وحقن الزخم القوي في تطوير صناعة تخزين الطاقة.
1 الابتكار المادي يدفع تحسين الأداء
(1) يوسع تحول مواد القطب الإيجابي الحد الأعلى لكثافة الطاقة
غالبًا ما تستخدم بطاريات ليثيوم تخزين الطاقة المبكرة فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) كمواد كهربائية إيجابية ، والتي لها أمان مرتفع وعمر دورة طويلة ، ولكن كثافة الطاقة الخاصة بها منخفضة نسبيًا ، مما يحد من السعة الإجمالية لنظام تخزين الطاقة. في السنوات الأخيرة ، ظهرت مواد ثلاثية النيكل العالية مثل NCM811 و NCA ، مما أدى إلى تحسين كثافة الطاقة في البطاريات ذات المحتوى العالي للنيكل ، حيث تصل إلى 200-300 WH\/kg ، وهو حوالي {2}} ٪ من مواد الفوسفات للليثيوم التقليدية. ومع ذلك ، فإن المواد الثلاثية النيكل العالية تشكل تحديات من حيث السلامة والاستقرار الحراري. تحقيقًا لهذه الغاية ، قام الباحثون بتحسين الاستقرار الهيكلي بشكل فعال وتعزيز السلامة للمواد من خلال الطلاء السطحي ، وعلاجات العناصر ، وعلاجات التعديل الأخرى. على سبيل المثال ، يمكن لطلاء سطح مادة NCM811 مع طبقة من أكسيد الألومنيوم (AL ₂ O3) قمع انتقال الطور الهيكلي للمادة أثناء الشحن والتفريغ ، ويقلل من خطر الهرب الحراري ، وتحسين أداء أمان البطارية في البيئات ذات درجة حرارة عالية.
في الوقت نفسه ، يجمع مادة فوسفات الحديد المنغنيز للليثيوم (LMFP) ، كمواد كهربائية إيجابية ناشئة ، بين سلامة فوسفات الحديد الليثيوم مع خصائص الجهد العالي لأكسيد المنغنيز الليثيوم. يمكن أن تتجاوز كثافة الطاقة النظرية 200 ساعة\/كيلوغرام ، ومن المتوقع أن تحسن كثافة الطاقة مع الحفاظ على ميزة التكلفة وسلامة فوسفات الحديد الليثيوم ، وتصبح اتجاهًا مهمًا للتطوير لمواد الإلكترود الإيجابية في بطاريات ليثيوم تخزين الطاقة المستقبلية.
(2) ترقية مواد القطب السلبي لتحسين الأداء الشامل للبطاريات
تستخدم مواد القطب السلبي الجرافيت التقليدي على نطاق واسع في بطاريات الليثيوم بسبب احتياطياتها الوفيرة ، وتكلفة منخفضة ، وإمكانية إدخال الليثيوم المنخفضة. ومع ذلك ، فإن قدرتها النظرية المحددة هي 372 مللي أمبير\/جم فقط ، والتي يصعب تلبية المزيد من الطلب على كثافة الطاقة العالية في أنظمة تخزين الطاقة. المواد القائمة على السيليكون ، كجيل جديد من مواد القطب السلبي ، لها قدرة نظرية محددة تصل إلى 4200 مللي أمبير في الساعة ، والتي تزيد عن 10 أضعاف من الجرافيت وأصبحت نقطة ساخنة للبحث. ومع ذلك ، فإن المواد القائمة على السيليكون تخضع لتوسيع حجم كبير (يصل إلى 300 ٪ -400 ٪) أثناء عملية الشحن والتفريغ ، مما يؤدي إلى سحق المواد وتلف هيكل القطب ، مما يؤثر على عمر دورة البطارية. لحل هذه المشكلة ، قام الباحثون بإعداد مواد مركبة للسيليكون من خلال تشتت جزيئات السيليكون النانوية بشكل موحد في مصفوفة الكربون ، مع استخدام مرونة مواد الكربون لتخزين تغيير حجم السيليكون وتعزيز توصيل المادة. على سبيل المثال ، يمكن أن تحقق مادة القطب السلبي المركب من السيليكون المركب الذي تم تحضيره بواسطة طريقة ترسيب البخار الكيميائي عمرًا أكثر من 1000 مرة مع ضمان سعة عالية ، وتحسين الأداء الكلي للبطارية بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام مواد القطب السلبي للليثيوم (LTO) على نطاق واسع في سيناريوهات تخزين الطاقة مع متطلبات عالية للغاية للسلامة وحياة الدورة بسبب أدائها الممتاز للسلامة ، وأداء الشحن السريع وأداء التفريغ ، وحياة دورة طويلة للغاية (تصل إلى 10000 مرة أو أكثر). ومع ذلك ، فإن كثافة الطاقة منخفضة نسبيًا ، حول 120-180 wh\/kg ، مما يحد من ترويجه على نطاق واسع. هناك حاجة إلى مزيد من الجهود لتحسين أدائها من خلال تحسين بنية المواد والوسائل الأخرى.
2 تحسين عمليات التصنيع لتحسين جودة البطارية
(1) تحسين عملية تحضير الإلكترود يعزز اتساق البطارية
يعد إعداد الإلكترود خطوة حاسمة في إنتاج بطاريات الليثيوم ، ويؤثر مستواه التكنولوجي بشكل مباشر على اتساق أداء البطارية. تعاني عملية طلاء القطب التقليدي من مشاكل مثل سمك الطلاء غير المتكافئ وتوزيع الجسيمات غير المتسق ، مما يؤدي إلى معدلات تفاعل مختلفة في أجزاء مختلفة من البطارية أثناء الشحن والتفريغ ، مما يؤثر على الأداء العام وحياة البطارية. في السنوات الأخيرة ، مع تطوير عمليات طلاء عالية الدقة مثل طلاء الشق وطلاء النقل ، يمكن تحقيق التحكم الدقيق في سماكة طلاء الإلكترود ، مع الانحرافات التي يتم التحكم فيها في ± 2 μ M ، مما يؤدي بشكل فعال إلى تحسين توحيد واتساق الطلاء الإلكترود. في الوقت نفسه ، تم اعتماد تقنية المتداول المتقدمة للتحكم بدقة في معلمات مثل ضغط الدوران والسرعة ، والتي يمكن أن ترتب بإحكام جزيئات مواد القطب ، وتحسين كثافة ضغط القطب ، وبالتالي تعزيز كثافة طاقة البطارية. على سبيل المثال ، على خط إنتاج بطارية الليثيوم على نطاق واسع لتخزين الطاقة ، زاد استخدام طلاء الشق وتكنولوجيا الضغط العالي الدقة من كثافة الطاقة للبطارية بنسبة 10 ٪ -15 ، وكان انحراف تناسق السعة في نفس الدفعة من البطاريات أقل من 1 ٪ ، مما يؤدي إلى تحسين استقرار وموثوقية تخزين الطاقة.
(2) مجموعة البطارية وتكنولوجيا التغليف تضمن سلامة البطارية
تعد عملية تجميع البطارية وعملية التغليف أمرًا بالغ الأهمية لضمان عمر سلامة وخدمة بطاريات الليثيوم. في عملية تجميع البطارية ، يتم تقديم تقنية لحام الليزر التلقائي. بالمقارنة مع لحام المقاومة التقليدية ، فإن لحام الليزر له مزايا التماس اللحام الضيق ، والمنطقة المتأثرة بالحرارة الصغيرة ، وقوة اللحام العالية. يمكن أن يحقق اتصالًا عالي الجودة بين أطراف البطارية وأشرطة BUSBARS ، وتقليل مقاومة التلامس ، وتقليل ظاهرة التدفئة من البطاريات أثناء الشحن والتفريغ ، وتحسين سلامة البطارية. في عملية التغليف ، يتم استخدام المواد عالية الحاجز وتقنيات الختم المتقدمة ، مثل تقنية تغليف الأفلام المركبة من الألومنيوم ، لمنع الشوائب الخارجية بشكل فعال مثل الرطوبة والأكسجين من دخول البطارية ، وتجنب التآكل ، والتورم ، ومشاكل أخرى ، وتوسيع عمر خدمة البطارية. بالإضافة إلى ذلك ، تدمج بعض بطاريات ليثيوم تخزين الطاقة الراقية أيضًا درجة الحرارة والضغط وأجهزة الاستشعار الأخرى داخل الحزمة لمراقبة الحالة الداخلية للبطارية في الوقت الفعلي. بمجرد حدوث تشوهات ، يمكن اتخاذ تدابير وقائية في الوقت المناسب لزيادة تعزيز سلامة البطارية.
3 ترقية ذكية لنظام إدارة البطارية
(1) المراقبة الدقيقة والتحكم تعزز أداء البطارية
يلعب نظام إدارة البطارية (BMS) ، باعتباره "دماغ" بطاريات الليثيوم ، دورًا حاسمًا في أنظمة تخزين الطاقة. يتبنى الجيل الجديد BMS أجهزة استشعار عالية الدقة وخوارزميات متقدمة ، والتي يمكنها مراقبة المعلمات الرئيسية مثل جهد البطارية ، والتيار ، ودرجة الحرارة ، وحالة الشحن (SOC) ، وحالة الصحة (SOH) في الوقت الفعلي وبدقة. على سبيل المثال ، من خلال استخدام خوارزمية تصفية Kalman لمعالجة جهد البطارية والبيانات الحالية ، يمكن تحسين دقة تقدير SOC إلى خلال 3 ٪ ، مما يوفر أساسًا دقيقًا لسيطرة شحن البطاريات والتحكم في التفريغ. في الوقت نفسه ، تدير BMS بذكاء شحن البطاريات وتفريغها بناءً على بيانات المراقبة ، وضبط تيار الشحن والجهد بشكل ديناميكي لتجنب الشحن المفرط والفرق المفرط ، مما يمتد إلى عمر دورة البطارية بشكل فعال. في محطة توليد طاقة كبيرة لتخزين الطاقة ، مدد اعتماد BMS الذكي عمر دورة بطاريات الليثيوم بنسبة 20 ٪ -30 ، مما يقلل من تكاليف تشغيل وصيانة نظام تخزين الطاقة.
(2) نظام تعزيز الموثوقية لتشخيص الأعطال والإنذار المبكر
BMS الذكية لديها تشخيص خطأ قوي ووظائف التحذير. من خلال التحليل المتعمق لبيانات تشغيل البطارية ، يمكن اكتشاف مخاطر الصدع المحتملة للبطارية في الوقت المناسب ويمكن إصدار تحذيرات مقدمًا. على سبيل المثال ، من خلال استخدام خوارزميات التعلم الآلي لتعلم وتدريب بيانات البطارية التاريخية ، يمكن إنشاء نموذج تنبؤات خطأ البطارية. عندما تعاني البطارية من تشوهات ، يمكن للنموذج تحديد نوع وشدة الخطأ بسرعة ، مما يوفر معلومات دقيقة لتشخيص الأعطال لموظفي التشغيل والصيانة ، وتسهيل تدابير الصيانة في الوقت المناسب ، وتجنب توسيع الخطأ. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لـ BMS أيضًا تبادل البيانات مع منصة المراقبة لنظام تخزين الطاقة ، وتحميل معلومات حالة البطارية في الوقت الفعلي إلى السحابة ، ويمكن لموظفي التشغيل والصيانة عرض حالة تشغيل البطارية في أي وقت وفي أي مكان من خلال تطبيقات الأجهزة المحمولة أو محطات الكمبيوتر ، وتحقيق مراقبة وإدارة عن بُعد ، وتحسين الموثوقية والتشغيل والصيانة لنظام تخزين الطاقة.