लिथियम आयन बॅटरी तंत्रज्ञान - पॉलिनोव्हलची मूलभूत तत्त्वे

लिथियम आयन बॅटरी बहुतेक लोक ज्या प्रकारे विचार करतात त्या पद्धतीने खरोखर "उत्पन्न" करत नाहीत. ते काय करतात ते उलट करता येण्याजोग्या इलेक्ट्रोकेमिकल अभिक्रियांद्वारे विद्युत उर्जा साठवतात, नंतर बाह्य सर्किटला विद्युत प्रवाहाची मागणी होते तेव्हा ती सोडते. याबद्दलचा गोंधळ डिझाईन मीटिंगमध्ये खूप येतो, विशेषत: जेव्हा कोणीतरी प्रथमच बॅटरी पॅक आकारण्याचा प्रयत्न करत असतो.

डिस्चार्ज दरम्यान दोन गोष्टी घडतात. प्रथम, लिथियम आयन नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) पासून इलेक्ट्रोलाइट आणि विभाजकाद्वारे सकारात्मक इलेक्ट्रोडमध्ये (कॅथोड) स्थलांतरित होतात. दुसरे, इलेक्ट्रॉन बाहेरील सर्किटमधून एनोडपासून कॅथोडपर्यंत वाहतात, उपयुक्त कार्य करतात. चार्जिंग दरम्यान, तुम्ही बाह्य व्होल्टेज लागू करून प्रक्रिया उलट करता जी आयन आणि इलेक्ट्रॉनला विरुद्ध दिशेने जाण्यास भाग पाडते.

सेल तयार करतो तो व्होल्टेज पूर्णपणे तुम्ही निवडलेल्या इलेक्ट्रोड सामग्रीवर आणि त्यांच्या संबंधित इलेक्ट्रोकेमिकल क्षमतांवर अवलंबून असतो. शेल्फवर भार नसलेला ताजा सेल त्याचे ओपन-सर्किट व्होल्टेज-बहुतांश लिथियम आयन रसायनांसाठी साधारणतः 3.6 ते 3.7V दाखवेल, जरी ही संख्या चार्ज आणि तापमानाच्या स्थितीनुसार फिरते. एकदा तुम्ही लोड कनेक्ट केले आणि विद्युत प्रवाह काढण्यास सुरुवात केली की, अंतर्गत प्रतिकारामुळे व्होल्टेज कमी होते. ते किती घसरते ते सेलच्या आरोग्याबद्दल बरेच काही सांगते.

Lithium Ion Battery Technology

सर्व लिथियम आयन पेशी समान मूलभूत ऑपरेटिंग तत्त्व सामायिक करतात, परंतु रसायनशास्त्र मोठ्या प्रमाणात बदलतात. कॅथोड सामग्री मुख्यत्वे सेलची कार्यप्रदर्शन वैशिष्ट्ये-ऊर्जा घनता, उर्जा क्षमता, चक्र जीवन, थर्मल स्थिरता आणि किंमत निर्धारित करते.

स्तरित ऑक्साईड कॅथोड हे पहिले व्यावसायिक रसायन होते. Sony ने 1991 मध्ये LiCoO₂ (लिथियम कोबाल्ट ऑक्साईड) सह त्यांची ओळख करून दिली, जी अजूनही ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये वापरली जाते जिथे ऊर्जा घनता किंमत किंवा सुरक्षितता मार्जिनपेक्षा जास्त महत्त्वाची असते. या पेशी सेल स्तरावर अंदाजे 150-200 Wh/kg पॅक करतात. कोबाल्ट महाग आहे, आणि रसायनशास्त्र 150 अंशांपेक्षा जास्त अस्थिर होते. आम्ही दुर्व्यवहार केलेल्या पेशींमध्ये 130 अंशांपेक्षा कमी तापमानात थर्मल रनअवे सुरू झाल्याचे पाहिले आहे.

उत्तम सुरक्षितता आणि कमी खर्चाची मोहीम -1990 च्या दशकाच्या मध्यात LiMn₂O₄ (लिथियम मँगनीज ऑक्साईड) कडे नेली. मँगनीज घाण स्वस्त आहे आणि स्पिनल रचना स्वाभाविकपणे अधिक स्थिर आहे. जोपर्यंत तुम्ही साधारणपणे 250 डिग्री पार करत नाही तोपर्यंत या पेशी पळून जाणार नाहीत. व्यापार बंद? ऊर्जेची घनता 100-120 Wh/kg पर्यंत घसरते आणि मँगनीज कालांतराने इलेक्ट्रोलाइटमध्ये विरघळते, विशेषतः उच्च तापमानात. सायकल लाइफ ग्रस्त आहे - क्षमता 80% पेक्षा कमी होण्यापूर्वी तुम्ही कदाचित 300-700 सायकल पाहत आहात.

LiFePO₄ (लिथियम लोह फॉस्फेट) 2001 च्या आसपास दिसले आणि सुरक्षा संभाषण बदलले. ऑलिव्हिन रचना खडक-थर्मली घन आहे; थर्मल रनअवे 270 अंशांपेक्षा जास्त होत नाही आणि तरीही ते कमी हिंसक आहे. सायकलचे आयुष्य उत्कृष्ट आहे-2,000+ सायकल ते ८०% क्षमता मानक आहे, आणि काही पेशींची 5,000 चक्रांपूर्वी चाचणी केली गेली आहे. नकारात्मक बाजू व्होल्टेज आहे: केवळ 3.2V नाममात्र, आणि ऊर्जा घनता 90-120 Wh/kg पर्यंत मर्यादित आहे. तसेच, फॉस्फेट पेटंटची परिस्थिती वर्षानुवर्षे गोंधळलेली होती.

NMC (लिथियम निकेल मँगनीज कोबाल्ट ऑक्साईड) आणि NCA (लिथियम निकेल कोबाल्ट ॲल्युमिनियम ऑक्साईड) "संतुलित" रसायने म्हणून उदयास आले. निकेल, मँगनीज आणि कोबाल्ट यांचे विविध गुणोत्तरांमध्ये मिश्रण करून-सामान्य म्हणजे NMC 111, 532, 622, आणि 811 जेथे संख्या संबंधित धातू सामग्री दर्शवतात-आपण कार्यप्रदर्शन ट्यून करू शकता. उच्च निकेल सामग्री उर्जेची घनता 200-250 Wh/kg पर्यंत ढकलते परंतु थर्मल स्थिरता आणि सायकल आयुष्याच्या किंमतीवर. NMC 811 पेशी 250 Wh/kg पर्यंत पोहोचू शकतात परंतु अधिक काळजीपूर्वक थर्मल व्यवस्थापन आवश्यक आहे.

एनोड बाजूला, ग्रेफाइट पहिल्या दिवसापासून मानक आहे. सैद्धांतिक क्षमता 372 mAh/g आहे आणि व्यावसायिक पेशी सामान्यत: 340-360 mAh/g मिळवतात. चार्जिंग दरम्यान लिथियम ग्राफीनच्या थरांमध्ये इंटरकॅलेट करते, ग्रेफाइटचे प्रमाण अंदाजे 10% ने वाढवते. हा यांत्रिक ताण सायकल चालवताना क्षमता कमी होण्यास हातभार लावतो.

सुमारे पंधरा वर्षांपासून सिलिकॉन एनोड्स "पुढील मोठी गोष्ट" आहेत. सिलिकॉनची सैद्धांतिक क्षमता 4,200 mAh/g-ग्रेफाइटच्या दहापट जास्त आहे. समस्या अशी आहे की, सिलिकॉन जेव्हा लिथियम शोषून घेतो तेव्हा त्याचा 300% विस्तार होतो. हे काही चक्रांनंतर एनोड वेगळे करते. सध्याच्या पध्दतींमध्ये विस्तार व्यवस्थापित करण्यायोग्य ठेवण्यासाठी सिलिकॉन सामग्रीसह सिलिकॉन-ग्रेफाइट मिश्रणाचा वापर केला जातो. असे असले तरी, प्रथम-सायकल अपरिवर्तनीय क्षमतेचे नुकसान 15-सिलिकॉन युक्त एनोड्समध्ये 25% विरुद्ध शुद्ध ग्रेफाइटसाठी 5-10% होते.

बहुतेक लोक जेव्हा "बॅटरी" विचार करतात तेव्हा ते बेलनाकार पेशी असतात. 18650 स्वरूप (18 मिमी व्यास, 65 मिमी लांबी) 2000 च्या दशकाच्या सुरुवातीला लॅपटॉप उत्पादकांनी त्यावर प्रमाणित केल्यानंतर सर्वव्यापी बनले. टेस्लाने त्यातील हजारो मूळ रोडस्टरमध्ये वापरले. ठराविक 18650 क्षमता रसायनशास्त्रावर अवलंबून 2,000-3,500 mAh चालते आणि तुम्ही ऊर्जा किंवा शक्तीसाठी अनुकूल आहात की नाही.

Tesla आणि Panasonic ने संयुक्तपणे विकसित केलेले नवीन 21700 फॉरमॅट (21mm × 70mm) प्रति सेल-4,000-5,000 mAh वर सुमारे 50% अधिक ऊर्जा देते. मोठ्या व्यासामुळे सक्रिय सामग्रीचे निष्क्रिय घटकांचे गुणोत्तर वाढते (वर्तमान संग्राहक, कॅन, सुरक्षा उपकरणे), पॅक स्तरावर ऊर्जा घनता सुधारते. मॅन्युफॅक्चरिंग लाइन्स रीटूल करणे आवश्यक होते, दत्तक घेण्यास थोडा वेळ का लागला याचा एक भाग आहे.

प्रिझमॅटिक सेल ऑटोमोटिव्ह उद्योगाच्या चांगल्या जागेच्या वापराच्या इच्छेतून आले आहेत. सिलिंडरसह बॉक्स भरण्याऐवजी आणि ती सर्व रिकामी जागा सोडण्याऐवजी, तुम्ही आयताकृती सेल बनवता जे कार्यक्षमतेने स्टॅक करतात. ऑटोमोटिव्ह-ग्रेड प्रिझमॅटिक सेलची श्रेणी 20Ah ते 100Ah क्षमतेपेक्षा जास्त असते. ते थर्मल-पॅकेजिंगच्या दृष्टिकोनातून व्यवस्थापित करणे सोपे आहे कारण तुम्ही कूलिंग प्लेट्स थेट सपाट बाजूंवर ठेवू शकता. एक मोठा प्रिझमॅटिक सेल अयशस्वी झाल्यास, तुमची सर्व अंडी कमी टोपल्यांमध्ये आहेत-, एक लहान दंडगोलाकार सेल अयशस्वी झाल्यास तुम्ही जास्त क्षमता गमावाल.

पाऊच सेल मेटल कॅन पूर्णपणे काढून टाकून जागा कार्यक्षमतेची कल्पना पुढे नेतात. सेल लवचिक ॲल्युमिनियम-लॅमिनेट पाऊचमध्ये बंद आहे. हे कदाचित 10-15% वजन विरुद्ध प्रिझमॅटिक कॅन वाचवते, आणि स्वरूप अत्यंत लवचिक आहे-तुम्ही त्यांना कोणत्याही आकारात किंवा अनुप्रयोगासाठी आवश्यक आकार देऊ शकता. ईव्ही उत्पादकांना ते आवडतात कारण तुम्ही त्यांना थेट कूलिंग प्लेट्समध्ये स्टॅक करू शकता. कमकुवतपणा यांत्रिक आहे: सायकल चालवताना इलेक्ट्रोड डिलेमिनेशन टाळण्यासाठी त्यांना बाह्य कॉम्प्रेशनची आवश्यकता असते आणि ते पंक्चरच्या नुकसानास अधिक असुरक्षित असतात.

Lithium Ion Battery Technology

विभाजकाकडे फारसे लक्ष दिले जात नाही, परंतु तो निर्विवादपणे सर्वात गंभीर सुरक्षा घटक आहे. हा पातळ (16-25 μm सामान्यत:) सच्छिद्र पडदा आहे जो एनोड आणि कॅथोडला स्पर्श करण्यापासून दूर ठेवतो आणि लिथियम आयनमधून जाऊ देतो. सुरुवातीचे विभाजक सिंगल-लेयर पॉलीथिलीन (पीई) किंवा पॉलीप्रॉपिलीन (पीपी) होते.

आधुनिक उच्च-कार्यक्षमता विभाजक ट्रायलेअर संरचना वापरतात, विशेषत: PP/PE/PP. PE लेयरमध्ये PP (165 डिग्री) पेक्षा कमी वितळण्याचा बिंदू (135 अंश) असतो. जर सेल जास्त तापू लागला, तर पीई वितळते आणि छिद्रांमध्ये भरते, तापमान धोकादायक पातळीपर्यंत पोहोचण्यापूर्वी आयनिक वाहतूक बंद करते. याला थर्मल शटडाउन म्हणतात आणि थर्मल रनअवेपूर्वी ही तुमची शेवटची संरक्षण ओळ आहे.

सिरॅमिक-लेपित विभाजक आणखी एक सुरक्षा मार्जिन जोडतात. विभाजकाच्या एका किंवा दोन्ही बाजूंना ॲल्युमिना किंवा इतर सिरॅमिक कणांचे पातळ (2-4 μm) कोटिंग पॉलिमर वितळले तरीही संरचनात्मक अखंडता राखते. कोटिंग पुरेशी सच्छिद्र आहे की आयनिक वाहतूक चालू राहते, परंतु ते 150 अंशांपेक्षा जास्त तापमानातही इलेक्ट्रोडला लहान-परिवर्तन होण्यापासून प्रतिबंधित करते. नकारात्मक बाजू म्हणजे किंमत-सिरेमिक-कोटेड विभाजक मानक विभाजकांच्या किंमती 2-3× चालतात-आणि थोडा जास्त प्रतिबाधा.

सच्छिद्रता सामान्यतः 40-50% चालते. खूप कमी आणि आयनिक प्रतिकार वाढतो, ज्यामुळे पॉवर क्षमता मर्यादित होते. खूप उच्च आणि यांत्रिक शक्ती ग्रस्त. छिद्र आकार वितरण देखील महत्त्वाचे आहे; गुर्ली क्रमांक (हवा पारगम्यता चाचणी) एक मानक वैशिष्ट्य आहे. बहुतेक EV-ग्रेड विभाजक 200-400 सेकंद/100cc चे लक्ष्य करतात.

लिथियम आयन सेलमधील इलेक्ट्रोलाइट तुम्हाला वाटेल त्यापेक्षा अधिक जटिल आहे. बेस फॉर्म्युलेशन हे सामान्यतः लिथियम सॉल्ट असते-LiPF₆ (लिथियम हेक्साफ्लोरोफॉस्फेट) 95%+ पेशींमध्ये-सेंद्रिय कार्बोनेटच्या मिश्रणात विरघळते. सामान्य सॉल्व्हेंट्समध्ये इथिलीन कार्बोनेट (EC), डायमिथाइल कार्बोनेट (DMC), डायथिल कार्बोनेट (DEC), आणि इथाइल मिथाइल कार्बोनेट (EMC) यांचा समावेश होतो.

LiPF₆ एकाग्रता साधारणतः 1.0 ते 1.2 M (मोलर) असते. उच्च एकाग्रता एका बिंदूपर्यंत आयनिक चालकता सुधारते, परंतु 1.3 M किंवा त्याहून अधिक कमी तापमानात तुम्हाला मीठाचा वर्षाव होऊ लागतो. LiPF₆ मध्ये समस्या आहे-ते ओलावा-संवेदनशील आहे आणि 60 अंशांपेक्षा जास्त विघटन करण्यास सुरवात करते -परंतु LiBOB किंवा LiFSI सारख्या पर्यायांनी किंमत किंवा इतर ट्रेडऑफमुळे ते अद्याप विस्थापित केलेले नाही.

कार्बोनेट सॉल्व्हेंट मिश्रण अनुप्रयोगासाठी ट्यून केले जाते. EC मध्ये उच्च डायलेक्ट्रिक स्थिर आणि चांगले SEI- बनवणारे गुणधर्म आहेत, परंतु ते 36 अंशांवर गोठते. कमी तापमान कामगिरी राखण्यासाठी तुम्हाला ते कमी-डीएमसी किंवा EMC सारख्या स्निग्धतायुक्त कार्बोनेट्समध्ये मिसळावे लागेल. ठराविक फॉर्म्युलेशन व्हॉल्यूमनुसार EC:DMC 1:1 किंवा EC:EMC 3:7 असू शकते. अचूक गुणोत्तर मालकीचे आणि लक्षपूर्वक संरक्षित आहेत.

खरी रसायनशास्त्राची जादू जिथे घडते तिथे additives. आधुनिक इलेक्ट्रोलाइट्समध्ये 2-5% विविध ऍडिटिव्हजच्या वजनाने असतात जे SEI ची निर्मिती सुधारतात, ओव्हरचार्ज रोखतात, गॅस निर्मिती रोखतात किंवा उच्च-तापमान स्थिरता सुधारतात. ग्रेफाइट एनोड्सवर SEI गुणवत्ता सुधारण्यासाठी 1-2% वर विनाइलीन कार्बोनेट (VC) जवळजवळ सार्वत्रिक आहे. फ्लूरोइथिलीन कार्बोनेट (एफईसी) सिलिकॉन-युक्त एनोड्ससाठी चांगले कार्य करते. ही संयुगे प्राथमिक चार्जिंग सायकल दरम्यान प्राधान्याने कमी करतात, एनोडवर एक संरक्षक स्तर तयार करतात जो आयनिकली प्रवाहकीय परंतु इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेट आहे.

बायफेनिल किंवा सायक्लोहेक्सिलबेन्झिन सारखे ओव्हरचार्ज प्रोटेक्शन ॲडिटीव्ह 4.5V च्या आसपास पॉलिमरायझेशन सुरू करतात, एक अंतर्गत शंट तयार करतात जे व्होल्टेजला पुढे जाण्यापासून प्रतिबंधित करते. बीएमएस अयशस्वी झाल्यास हे तुम्हाला काही संरक्षण देते, जरी त्यावर अवलंबून राहणे हे स्पष्टपणे डिझाइन सर्वोत्तम सराव नाही.

SEI हे लिथियम आयन बॅटरी ऑपरेशनचे सर्वात कमी समजलेले परंतु सर्वात महत्वाचे पैलू आहे. पहिल्या काही चार्जिंग चक्रांदरम्यान, इलेक्ट्रोलाइट घटक एनोड पृष्ठभागावर प्रतिक्रिया देतात, ज्यामुळे एक पॅसिव्हेशन थर तयार होतो. हा स्तर गंभीर आहे: तो आयनिकली प्रवाहकीय (लिथियम आयनला परवानगी देण्यासाठी) परंतु इलेक्ट्रॉनिक इन्सुलेट (पुढील इलेक्ट्रोलाइटचे विघटन टाळण्यासाठी) असणे आवश्यक आहे. SEI रचना म्हणजे डझनभर लिथियम क्षार, सेंद्रिय संयुगे आणि पॉलिमर हे सर्व 10-100 nm जाडीच्या थरात मिसळलेले एक गोंधळ आहे.

500 वेळा सायकल चालवणाऱ्या पेशी आणि 3,000 वेळा सायकल चालवणाऱ्या सेलमधील फरक म्हणजे चांगली SEI निर्मिती. समस्या अशी आहे की SEI स्थिर नाही. एनोडमधील व्हॉल्यूम बदलादरम्यान ते क्रॅक होते, ताजे पृष्ठभाग उघड करते जे नुकसान दुरुस्त करण्यासाठी अधिक इलेक्ट्रोलाइट आणि लिथियम वापरते. म्हणूनच सायकल चालवतानाही क्षमता कमी होत जाते.

फॉर्मेशन सायकलिंग ही एक महत्त्वाची मॅन्युफॅक्चरिंग पायरी आहे. प्रारंभिक SEI स्थापित करण्यासाठी सेल एक किंवा अधिक स्लो चार्ज-नियंत्रित तापमानात डिस्चार्ज चक्रातून जातात. फॉर्मेशन प्रोटोकॉल हे मालकीचे आहेत, परंतु सामान्य प्रथम-सायकल चार्जिंगचे दर C/20 ते C/10 आहेत आणि प्रक्रियेस 24-48 तास लागू शकतात. शक्य तितक्या स्थिर SEI तयार करण्यासाठी उत्पादक फॉर्मेशन व्होल्टेज मर्यादा, तापमान, विश्रांतीचा कालावधी आणि सायकलिंग पॅटर्न ऑप्टिमाइझ करतात. हे चुकीचे केल्याने तुमचे सायकल आयुष्य खर्ची पडते.

कॅलेंडरचे वृद्धत्व-सेल तिथे बसलेले असतानाही क्षमता कमी होणे-ही मुख्यत्वे SEI घटना आहे. सायकल करण्यायोग्य लिथियमचा वापर करून, ओपन सर्किटमध्ये SEI हळूहळू वाढत आहे. उच्च प्रभार आणि उच्च तापमानावरील संचयन याला गती देते. 100% SOC आणि 60 डिग्री वर संग्रहित सेलची एका वर्षात 20% क्षमता कमी होऊ शकते, तर समान सेल 50% SOC आणि 25 अंशांवर 3% गमावू शकते.

लिथियम आयन पेशी ओव्हरचार्ज, ओव्हरचार्ज-आणि अयोग्य तापमानात चार्जिंगसाठी संवेदनशील असतात. म्हणूनच प्रत्येक मल्टी-सेल बॅटरी पॅकला BMS (बॅटरी व्यवस्थापन प्रणाली) आवश्यक आहे.

मानक चार्जिंग पद्धत म्हणजे स्थिर विद्युत्/स्थिर व्होल्टेज (CC-CV). CC टप्प्यात, तुम्ही सेलमध्ये ठराविक दराने प्रवाह ढकलता-बहुतांश सेलसाठी सामान्यत: 0.5C ते 1C पर्यंत, जरी काही उच्च-पॉवर सेल 3C किंवा अधिक हाताळू शकतात. सेल चार्ज झाल्यावर व्होल्टेज वाढते. जेव्हा व्होल्टेज वरच्या मर्यादेपर्यंत पोहोचते (बहुतेक रसायनांसाठी 4.2V, LFP साठी 3.65V, काही उच्च-ऊर्जा NMC प्रकारांसाठी 4.3V किंवा 4.35V), तुम्ही CV मोडवर स्विच करता. सेल पूर्ण चार्ज होत असताना चालू टेपर्स बंद होतात, विशेषत: जेव्हा विद्युत प्रवाह C/20 किंवा C/50 च्या खाली येतो तेव्हा तो बंद होतो.

जलद चार्जिंग अधिक क्लिष्ट आहे. उच्च शुल्क दर एनोडवर लिथियम प्लेटिंगला गती देतात, जे धोकादायक आहे-धातूचा लिथियम अत्यंत प्रतिक्रियाशील आहे आणि विभाजकात प्रवेश करणारी अंतर्गत शॉर्ट्स किंवा डेंड्राइट तयार होऊ शकते. जलद-सुरक्षितपणे चार्ज करण्यासाठी, तुम्हाला व्होल्टेज, करंट आणि तापमान लिथियम प्लेटिंगच्या सुरुवातीच्या परिस्थितीशी कसे संवाद साधतात हे समजून घेणे आवश्यक आहे.

समस्या अशी आहे की आपण थेट सीलबंद सेलमध्ये लिथियम प्लेटिंग मोजू शकत नाही. इतर सिग्नल्सवरून त्याचा अंदाज घ्यावा लागेल. एक दृष्टीकोन म्हणजे एनोड संभाव्य विरुद्ध लिथियम मेटल संदर्भाचा मागोवा घेणे. एनोड पोटेंशिअल 0V विरुद्ध Li/Li⁺ च्या खाली गेल्यास, प्लेटिंग होत आहे. समस्या अशी आहे की, बहुतेक व्यावसायिक पेशींमध्ये संदर्भ इलेक्ट्रोड नसतात.

जलद चार्जिंग दरम्यान तापमान वाढ देखील महत्त्वाचे आहे. 2C वर चार्ज होणारा सेल त्याच्या अंतर्गत तापमानात 15-ॲक्टिव्ह कूलिंगसह देखील 20 अंशांनी वाढू शकतो. थंड तापमानात, हे खरोखर उपयुक्त आहे-कोल्ड सेल (म्हणा -10 अंश) ची उर्जा क्षमता खूप कमी आहे, परंतु जर तुम्ही मध्यम दराने (0.5C) चार्ज करून ते उबदार करू शकता, तर कार्यप्रदर्शन सुधारते. काही ईव्ही प्रत्यक्षात हे हेतुपुरस्सर करतात: थंड हवामानात, ड्रायव्हरला प्रवेगासाठी उच्च शक्तीची मागणी करण्यापूर्वी बॅटरी गरम करण्यासाठी ते एक संक्षिप्त उच्च-वर्तमान चार्ज पल्स चालवतात.

सेल बॅलन्सिंग आवश्यक आहे कारण मालिकेतील पेशी कधीही पूर्णपणे जुळत नाहीत. उत्पादन सहिष्णुता, स्व-डिस्चार्ज दरांमधील लहान फरक आणि संपूर्ण पॅकमधील थर्मल ग्रेडियंट व्होल्टेज ड्रिफ्टला कारणीभूत ठरतात. तुम्ही समतोल न ठेवता मालिका स्ट्रिंग चार्ज केल्यास, काही सेल्स इतरांच्या आधी वरच्या व्होल्टेज मर्यादेपर्यंत पोहोचतात. मजबूत पेशी कमी चार्ज होतात, कमकुवत पेशी जास्त चार्ज होतात आणि कार्यक्षमतेला त्रास होतो.

निष्क्रिय समतोल उच्च-व्होल्टेज पेशींमधून ऊर्जा काढून टाकण्यासाठी प्रतिरोधकांचा वापर करते. हे सोपे आणि स्वस्त आहे परंतु उष्णता म्हणून ऊर्जा वाया घालवते. सक्रिय संतुलन उच्च पेशींपासून निम्न पेशींमध्ये ऊर्जा हस्तांतरित करण्यासाठी DC-DC कन्व्हर्टर किंवा कॅपेसिटर वापरते. अधिक कार्यक्षम, अधिक जटिल, अधिक महाग. 400V EV पॅकसाठी, पॅसिव्ह बॅलन्सिंगमुळे 50-100W सतत वाया जाऊ शकते, जे ड्रायव्हिंग पॉवरच्या तुलनेत नगण्य आहे परंतु कालांतराने त्यात वाढ होते.

Lithium Ion Battery Technology

लिथियम आयन सेलमध्ये उष्णतेची निर्मिती तीन स्त्रोतांकडून होते: अपरिवर्तनीय उष्णता (अंतर्गत प्रतिरोधकतेतून ज्यूल गरम करणे), उलट करता येणारी उष्णता (विद्युत रासायनिक अभिक्रियाचा एन्ट्रॉपी बदल) आणि बाजूच्या प्रतिक्रियांमधून उष्णता. कमी ते मध्यम C-दरांवर, उलट करता येण्याजोगे उष्णता वर्चस्व गाजवते. उच्च C-दरांवर, अपरिवर्तनीय उष्णता व्यापते.

उलट करता येण्याजोगा हीट टर्म मनोरंजक आहे कारण ते SOC वर अवलंबून चिन्ह बदलते. बहुतेक लिथियम आयन रसायनांसाठी, चार्जिंग कमी SOC वर उष्णता निर्माण करते परंतु उच्च SOC वर उष्णता शोषून घेते. डिस्चार्जिंग उलट करते. क्रॉसओव्हर पॉइंट साधारणतः ५०-६०% SOC असतो. म्हणूनच जर विद्युत् प्रवाह पुरेसा कमी असेल तर चार्जिंगच्या अंतिम टप्प्यात सेलचे तापमान प्रत्यक्षात घसरलेले दिसेल.

तापमान, SOC आणि वृद्धत्वानुसार अंतर्गत प्रतिकार बदलतो. 25 अंशावर, ताज्या 18650 सेलमध्ये 40-60 मिलीओम डीसी प्रतिकार असू शकतो. -20 अंशावर, ते 200-300 मिलिहोमपर्यंत जाऊ शकते. म्हणूनच थंड हवामानातील ईव्ही श्रेणी नाटकीयरित्या कमी होते. कमी तापमानात केवळ रसायनशास्त्र मंद होत नाही, तर अंतर्गत प्रतिकारशक्ती वाढली म्हणजे सेलच्या आत उष्णता म्हणून बॅटरीची अधिक ऊर्जा वाया जाते.

थर्मल रनअवे थ्रेशोल्ड रसायनशास्त्रावर अवलंबून असते. एनएमसी पेशींसाठी, एक्सोथर्मिक विघटन प्रतिक्रिया सुमारे 180-220 डिग्री सुरू होतात. एकदा सुरू केल्यावर, तापमान 10-50 अंश प्रति सेकंदाने वाढू शकते, 800 अंश किंवा त्याहून अधिक पोहोचू शकते. LFP जास्त सुरक्षित आहे; थर्मल रनअवे ऑनसेट 270 डिग्री + आहे आणि पोहोचलेले कमाल तापमान कमी आहे.

पॅकमधील पेशींमधील प्रसार हा खरा धोका आहे. जर एक सेल थर्मल रनअवेमध्ये गेला तर तो त्याच्या शेजाऱ्यांना गरम करतो. शेजारच्या पेशी देखील पळून जातात की नाही हे थंड करण्याची क्षमता, सेल अंतर आणि इन्सुलेशन यावर अवलंबून असते. UL 9540A प्रसार चाचणी एका सेलला थर्मल रनअवेमध्ये भाग पाडून आणि समीपच्या पेशी फॉलो करतात की नाही याचे निरीक्षण करून याचे अनुकरण करते. चांगल्या पॅक डिझाइनमध्ये एका सेलमध्ये बिघाड किंवा जास्तीत जास्त लहान मॉड्यूल समाविष्ट आहे.

शीतकरण रणनीती भिन्न आहेत. हवा थंड करणे सर्वात सोपे आहे-सेल्स किंवा पॅकवर हवा उडवणे. PHEV किंवा एनर्जी स्टोरेज सिस्टीम सारख्या कमी पॉवर डेन्सिटी ऍप्लिकेशनसाठी ठीक काम करते. उच्च-कार्यक्षमता ईव्हीसाठी लिक्विड कूलिंग आवश्यक आहे. बहुतेक डिझाईन्स कोल्ड प्लेट्स किंवा कूलिंग चॅनेलद्वारे 50:50 वॉटर-ग्लायकॉल मिक्स 10-25 लिटर प्रति मिनिट वापरतात. इनलेट तापमान सामान्यतः 20-35 अंशांवर नियंत्रित केले जाते. सर्वात गरम पेशींचे त्वरीत वृद्धत्व टाळण्यासाठी बॅटरी पॅक तापमान ग्रेडियंट कमाल 5 अंश ते मिनिटापेक्षा कमी असावे.

काही प्रायोगिक डिझाईन्स रेफ्रिजरंट कूलिंग, डायलेक्ट्रिक द्रवपदार्थात बुडवून थंड करणे किंवा फेज-चेंज मटेरियल वापरतात. रेफ्रिजरंट कूलिंग अधिक उष्णता बाहेर काढू शकते परंतु अधिक जटिल AC प्रणाली आवश्यक आहे. विसर्जन कूलिंगमध्ये उत्कृष्ट उष्णता हस्तांतरण गुणांक असतात (500-2,000 W/m²K विरुद्ध 50-150 W/m²K अप्रत्यक्ष द्रव थंड करण्यासाठी) परंतु सीलिंग आणि द्रव सुसंगतता ही आव्हाने आहेत. PCM निष्क्रीयपणे कार्य करतात परंतु शेवटी संचयित उष्णता नाकारणे आवश्यक आहे, म्हणून ते मुख्यत्वे जलद चार्जिंग किंवा हार्ड प्रवेग दरम्यान क्षणिक थंड होण्यास मदत करतात.

क्षमता कमी होणे आणि प्रतिबाधा वाढ या दोन मुख्य ऱ्हास यंत्रणा आहेत. ते एकाच वेळी घडणाऱ्या विविध भौतिक आणि रासायनिक प्रक्रियांमुळे होतात.

एनोड बाजूला, SEI वाढ सायकल करण्यायोग्य लिथियम आणि इलेक्ट्रोलाइट वापरते, प्रतिकार वाढवते. जर सेल ग्रेफाइट पृष्ठभागावर इंटरकॅलेटिंग ऐवजी कमी तापमानात-लिथियम प्लेट्सवर चार्ज झाल्यास, आणि जेव्हा ते अंततः इंटरकॅलेट करते, तेव्हा ते ग्रेफाइटच्या संरचनेला वेगळे करते. हे अनेकदा अपरिवर्तनीय आहे. भारदस्त तापमानात बाइंडरच्या विघटनामुळे कणांमधील विद्युत संपर्क नष्ट होतो.

कॅथोड डिग्रेडेशनमध्ये संक्रमण धातूचे विघटन (विशेषत: LMO मधील मँगनीज किंवा मँगनीज-NMC असलेले), वारंवार लिथियम घालणे/उत्कर्षाने संरचनात्मक बदल आणि उच्च-निकेल कॅथोड्समध्ये पृष्ठभागाची पुनर्रचना यांचा समावेश होतो. विरघळलेले संक्रमण धातू एनोडमध्ये स्थलांतरित होतात जेथे ते SEI वाढ उत्प्रेरित करतात, म्हणून कॅथोड डिग्रेडेशन अप्रत्यक्षपणे एनोड डिग्रेडेशनला गती देते.

उच्च व्होल्टेज आणि उच्च तापमानात इलेक्ट्रोलाइटचे विघटन आणि गॅस निर्मिती ही मोठी समस्या आहे. सामान्य वायूंमध्ये CO₂, CO, आणि कार्बोनेटच्या विघटनातून विविध हायड्रोकार्बन्सचा समावेश होतो. पाउच सेलमध्ये, तुम्हाला थैली दिसायला फुगलेली दिसेल. कठोर केस असलेल्या दंडगोलाकार किंवा प्रिझमॅटिक पेशींमध्ये, सुरक्षा व्हेंट उघडेपर्यंत दाब वाढतो (सामान्यत: 10-15 बारवर).

लिथियम इन्व्हेंटरीचे नुकसान ही एक प्रमुख फेड यंत्रणा आहे. प्रत्येक वेळी जेव्हा SEI वाढते किंवा लिथियम प्लेट्स एनोडवर अपरिवर्तनीयपणे बदलतात तेव्हा काही लिथियम सायकल करण्यायोग्य लिथियमच्या पूलमधून बाहेर काढले जाते. अखेरीस तुमची संपली आणि क्षमता कमी होते.

अंतर्गत शॉर्ट्समधून अचानक अपयश येऊ शकतात. बहुतेक शॉर्ट्स लहान-विभाजकाला छिद्र पाडतात किंवा लिथियम डेंड्राइट त्यातून वाढतात. शॉर्टमुळे हॉट स्पॉट तयार होतो, ज्यामुळे स्थानिक पातळीवर ऱ्हास वाढतो, ज्यामुळे शॉर्ट खराब होतो आणि तुम्हाला सकारात्मक फीडबॅक लूप मिळतो. काहीवेळा जर शॉर्ट वितळले तर सेल स्वतः-बरे होतो. इतर वेळी ते थर्मल रनअवेपर्यंत जाते.

नेल पेनिट्रेशन चाचण्या (चार्ज केलेल्या सेलद्वारे स्टीलच्या खिळ्याला जबरदस्ती करणे) ही एक प्रमाणित गैरवर्तन चाचणी आहे. एलएफपी पेशी सामान्यत: नखे प्रवेशापासून थर्मल रनअवेमध्ये जात नाहीत. NMC सेल अनेकदा करतात, जरी चांगले विभाजक आणि कमी विशिष्ट उर्जेसह डिझाइन कधीकधी पास होऊ शकतात.

आकृती 5 प्लॉट क्षमता धारणा विरुद्ध सायकल क्रमांक मध्यम सायकलिंग परिस्थितीत अनेक रसायनांसाठी (1C चार्ज/डिस्चार्ज, 25 अंश, 100% DOD).

लिथियम आयन सेलमध्ये किती ऊर्जा आहे हे तुम्ही थेट मोजू शकत नाही. तुम्हाला इतर मोजमापांवरून त्याचा अंदाज लावावा लागेल: व्होल्टेज, करंट आणि तापमान.

सर्वात सोपी SOC अंदाज पद्धत ही व्होल्टेज-आधारित आहे. प्रत्येक रसायनशास्त्रात एक वैशिष्ट्यपूर्ण ओपन-सर्किट व्होल्टेज विरुद्ध SOC वक्र असते. सेलने थोडावेळ विश्रांती घेतल्यानंतर व्होल्टेज मोजा (अंतर्गत प्रतिरोधक क्षयातून क्षणिक व्होल्टेज कमी होऊ देण्यासाठी), ते OCV वक्र वर पहा आणि तुम्हाला SOC माहित आहे. समस्या अशी आहे की, तुमच्याकडे क्वचितच सेलला रिअल ॲप्लिकेशन्समध्ये विश्रांती घेण्यासाठी वेळ असतो.

कूलॉम्ब मोजणी ही मानक पद्धत आहे. चार्ज इन आणि आउटचा मागोवा घेण्यासाठी तुम्ही कालांतराने वर्तमान समाकलित करता. तुम्ही एखाद्या ज्ञात SOC वर प्रारंभ केल्यास, तुम्ही कधीही नवीन SOC ची गणना करू शकता. अचूकता तुमच्या वर्तमान सेन्सरवर (±0.5% वैशिष्ट्यपूर्ण आहे) आणि खरी क्षमता जाणून घेण्यावर अवलंबून असते. एरर कालांतराने जमा होतात, त्यामुळे तुम्हाला पूर्ण चार्ज किंवा डिस्चार्ज सायकल करून वेळोवेळी रिकॅलिब्रेट करणे आवश्यक आहे.

मॉडेल-आधारित पद्धती सेलचे समतुल्य सर्किट मॉडेल किंवा इलेक्ट्रोकेमिकल मॉडेल वापरतात. तुम्ही टर्मिनल व्होल्टेज आणि करंट मोजता, ते तुमच्या मॉडेलद्वारे चालवता आणि SOC सह अंतर्गत स्थिती काढता. विस्तारित कालमन फिल्टर किंवा तत्सम राज्य निरीक्षक सामान्य आहेत. हे दृष्टीकोन अगदी अचूक असू शकतात (±2% SOC त्रुटी) परंतु चांगले मॉडेल आणि महत्त्वपूर्ण संगणकीय संसाधने आवश्यक आहेत.

SOH अंदाज कठिण आहे कारण तुम्ही अधोगती मोजण्याचा प्रयत्न करत आहात, जे हळू आणि हळूहळू आहे. क्षमता क्षीण होणे आणि प्रतिबाधाची वाढ एकमेकांशी किंवा सायकल गणनेशी रेखीयपणे परस्परसंबंधित असणे आवश्यक नाही. एक सेल जो जलद-चार्ज झाला आहे त्याला उच्च प्रतिबाधा असू शकते परंतु केवळ मध्यम क्षमता फिकट होऊ शकते. उच्च SOC/तापमानावर साठवलेल्या सेलमध्ये लक्षणीय क्षमता फिकट होऊ शकते परंतु तुलनेने कमी प्रतिबाधा वाढू शकते.

क्षमतेवर आधारित SOH ची व्याख्या करणे उद्योगाचा सराव आहे: एक सेल त्याच्या मूळ क्षमतेच्या 80% 80% SOH वर असतो आणि हे सहसा EV ऍप्लिकेशन्ससाठी आयुष्याचा-अंत-मानले जाते. सेल अजूनही कार्य करतो, परंतु श्रेणी 20% कमी झाली आहे. ऊर्जा संचयन अनुप्रयोगांसाठी, सेलचा वापर 60-70% SOH पर्यंत केला जाऊ शकतो.

काही BMS नियतकालिक क्षमतेची तपासणी करतात-कमी दराने बॅटरी पूर्णपणे डिस्चार्ज होते आणि किती ऊर्जा बाहेर येते हे मोजतात. हे अचूक आहे परंतु अनाहूत आहे (चाचणी दरम्यान बॅटरी अनुपलब्ध आहे) आणि काही तास लागतात. इतर दृष्टीकोन व्होल्टेज वक्र, प्रतिबाधा मोजमाप किंवा कुलॉम्बिक कार्यक्षमतेवरून अप्रत्यक्षपणे क्षमतेचा अंदाज लावण्याचा प्रयत्न करतात.

अंतर्गत प्रतिकार वर्तमान पल्स लागू करून आणि व्होल्टेज प्रतिसाद मोजून किंवा विविध फ्रिक्वेन्सीवर (इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी) लहान एसी सिग्नल इंजेक्ट करून मोजले जाऊ शकते. EIS अधिक माहिती देते परंतु व्यावसायिक BMS मध्ये क्वचितच उपस्थित असणारे विशेष हार्डवेअर आवश्यक आहे.

Lithium Ion Battery Technology

जेव्हा EV बॅटरीचे आयुष्य संपते--(सामान्यत: ७०-मूळ क्षमतेच्या ८०%), ती अजूनही कमी मागणी असलेल्या अनुप्रयोगांसाठी उत्तम प्रकारे कार्य करते. स्थिर ऊर्जा संचयनासाठी द्वितीय-जीवन बॅटरीचा वापर वाढतो आहे.

अर्थशास्त्र अवघड आहे. तुम्हाला रिटायर्ड पॅकची चाचणी करावी लागेल, संभाव्यत: त्याची पुनर्निर्मिती करावी लागेल (BMS, कूलिंग सिस्टम किंवा खराब झालेले मॉड्यूल्स बदला), नवीन ऍप्लिकेशनसाठी ते प्रमाणित करा आणि वॉरंटी द्या. या सगळ्यासाठी पैसा लागतो. दुस-या-आयुष्याला अर्थ देण्यासाठी, नूतनीकरण केलेल्या पॅकची किंमत स्थिर अनुप्रयोगासाठी डिझाइन केलेल्या नवीन पॅकपेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी असणे आवश्यक आहे. नूतनीकरण नवीन पॅकच्या किमतीच्या 40-50% पेक्षा कमी असले तरीही खर्च खंडित होतो, तुम्ही कोणाच्या विश्लेषणावर विश्वास ठेवता यावर अवलंबून.

सेवानिवृत्त पेशींची चाचणी करणे क्षुल्लक नाही-. एका मॉड्यूलमध्ये शेकडो सेल असू शकतात-समांतर. तुम्ही त्यांची वैयक्तिकरित्या सहज चाचणी करू शकत नाही. तुम्ही मॉड्यूलची युनिट म्हणून चाचणी करू शकता, परंतु एक खराब सेल स्वतःला मास्क करू शकतो. काही डिग्रेडेशन मोड्स विध्वंसक चाचणीशिवाय शोधणे कठीण आहे. उत्तरदायित्वाचा प्रश्न देखील आहे: जर एका सेकंदाची- बॅटरी पेटली तर जबाबदार कोण?

रीसायकलिंग हा जीवन मार्गाचा-अंतिम अंत आहे. सध्याच्या मोठ्या प्रमाणात-पुनर्वापरात पायरोमेटलर्जी (स्मेल्टिंग) किंवा हायड्रोमेटलर्जी (रासायनिक लीचिंग) वापरली जाते. पायरोमेटलर्जी सोपी आहे परंतु कमी निवडक आहे-आपल्याला मिश्र धातुचे मिश्र धातु मिळतात ज्यांना आणखी शुद्धीकरण आवश्यक आहे. हायड्रोमेटलर्जी उच्च शुद्धतेवर वैयक्तिक धातू पुनर्प्राप्त करू शकते परंतु अधिक चरणांची आवश्यकता आहे आणि रासायनिक कचरा निर्माण करतो.

पुनर्वापराचे अर्थशास्त्र धातूच्या किमतीवर मोठ्या प्रमाणावर अवलंबून असते. कोबाल्ट मौल्यवान आहे (ऐतिहासिकदृष्ट्या अंदाजे $30-40/किलो, किमती प्रचंड बदलत असल्या तरी), त्यामुळे कोबाल्ट-समृद्ध रसायनांचा पुनर्वापर आर्थिकदृष्ट्या व्यवहार्य आहे. निकेल मोठ्या प्रमाणावर पुनर्वापर करण्यासारखे आहे. मँगनीज, लोह आणि ॲल्युमिनियम हे धातू कमी-आहेत, त्यामुळे त्यांना लँडफिलपासून दूर ठेवण्यासाठी पुनर्वापर करणे अर्थपूर्ण आहे. लिथियम मनोरंजक आहे - ते प्रति किलोग्रॅम विशेषतः मौल्यवान नाही, परंतु पुरवठ्यातील मर्यादा पुनर्प्राप्ती आकर्षक बनवतात.

डायरेक्ट रीसायकलिंग-बॅटरीचे पृथक्करण करणे आणि कॅथोड किंवा एनोड सामग्री थेट धातूच्या क्षारांमध्ये न मोडता पुन्हा वापरणे- हे संशोधन क्षेत्र आहे. आपण वापरण्यायोग्य स्वरूपात कॅथोड पावडर पुनर्प्राप्त करू शकल्यास, आपण कॅथोड संश्लेषणाची ऊर्जा आणि खर्च वाचवाल. सध्याच्या संग्राहक आणि बाइंडरपासून सक्रिय सामग्री वेगळे करणे आणि पुनर्नवीनीकरण केलेली सामग्री भिन्न उत्पादक, वयोगट आणि रसायनशास्त्रातील पेशींचे मिश्रण आहे या वस्तुस्थितीला सामोरे जाणे समाविष्ट आहे.