Tipuri de acumulatori cu litiu

Tipuri de acumulatori cu litiu: diferite variante

Când spunem mașină pe benzină, nu spunem o prostie, dar știm că există multe diferențe între ele. Funcționează cu benzină de 95, 98 sau 100, există motoare în doi timpi și în patru timpi, cu doi, trei sau patru cilindri, precum și variante turbo. În mod similar, acumulatorul cu litiu este doar un termen generic, în cadrul căruia există destul de multe tipuri.

Este important de înțeles că fiecare dezvoltare începe prin inventarea unui „model de laborator” funcțional, care are avantaje și dezavantaje. Ulterior, se încearcă amplificarea avantajelor și reducerea dezavantajelor. În cazul acumulatorului cu litiu, cuvintele cheie sunt: densitate energetică, greutate, inflamabilitate, capacitate de stocare, degradare, durată de viață etc. Prin alierea diferitelor materiale și prin modificarea formei și a dimensiunilor, proprietățile enumerate mai sus se modifică. Astfel, pe de o parte, acumulatorii devin din ce în ce mai buni, iar pe de altă parte, se dezvoltă în mod special către mai multe domenii de utilizare.

Câteva domenii principale de utilizare:

• În cazul dispozitivelor mobile, greutatea redusă este foarte importantă, în timp ce o durată de viață mai scurtă, de doi ani, este acceptabilă, pe lângă un cost de achiziție redus.
• În cazul mașinilor, pe lângă greutatea redusă, performanța și durata de viață mai lungă trec pe prim-plan.
• În cazul acumulatorilor solari pentru clădiri, greutatea nu contează, eliminarea riscului de incendiu este foarte importantă, la fel ca și o durată de viață extrem de lungă.

Câteva proprietăți ale acumulatorilor cu compoziții diferite:

Acumulatorul LMO este scump și cancerigen; acumulatorii

NMC sunt predispuși la supraîncălzire și la risc de incendiu;

LFP nu prezintă risc de incendiu, dar are o densitate energetică mai mică, fiind în schimb fiabil; Acumulatorul LTO se poate încărca mult mai rapid, are un număr mare de cicluri, dar o tensiune mică; LIPO este un acumulator de tip tehnologie solidă (solid-state), în care nu există electrolit și nu prezintă risc de incendiu, dar se încarcă mai lent și are o durată de viață mai scurtă.

Nivelurile de tensiune ale diferiților acumulatori cu litiu

Deoarece proprietățile acumulatorilor sunt modificate, nu trebuie să ne surprindă faptul că aceștia vor funcționa la niveluri de tensiune diferite. Desigur, încărcarea acestora trebuie realizată cu un încărcător unic, dimensionat special pentru fiecare. (Un motor obișnuit pe benzină funcționează și cu benzină cu plumb, dar în motorul cu catalizator se poate pune doar benzină fără plumb, adică „bleifrei”.)

Acumulatorii utilizați în vehicule

Se utilizează cel mai des acumulatori NMC (LiNiMnCoO₂), LMO (LiMnCoO₄) și LFP (LiFePO₄). Pe lângă aceștia, mai apar și LIPO (litiu-polimer) și LTO (titanat de litiu), care au numeroase avantaje față de litiu-fier-fosfat, dar prețul…

Rata C reprezintă viteza de încărcare-descărcare. Capacitatea acumulatorilor este determinată în general la 1C, ceea ce înseamnă că un acumulator complet încărcat, cu o capacitate de 1Ah, trebuie să asigure un curent de 1A timp de o oră. Uzura acumulatorului cu litiu depinde de puterea de încărcare și de temperatura de încărcare-descărcare.

Se poate observa că la o încărcare și descărcare cu un curent mai mare, respectiv în stare rece sau caldă, numărul de cicluri (adică durata de viață) se reduce. De reținut: durata de viață a acumulatorului este mai scurtă dacă:

• îl încărcăm cu un curent mare (încărcare rapidă),
• extragem o putere mare din el (conducem cu pedala la podea),
• încărcăm un acumulator înghețat sau fierbinte,
• consumăm energie dintr-un acumulator înghețat sau fierbinte (tocmai de aceea, mașinile temperează acumulatorii: vara îi răcesc, iar iarna îi încălzesc).

Intervalul optim de temperatură este cuprins între +10 și +35 °C, atât în timpul încărcării (în timpul parcării, respectiv la frânare), cât și în timpul utilizării (adică în timpul deplasării). Intervalul de funcționare este, desigur, mai larg de atât. Sub -40 °C, electrolitul poate îngheța, iar peste +45 °C celulele pot deveni instabile, motiv pentru care acestea sunt numite intervale de temperatură de supraviețuire. În jurul valorii de +90 °C, separatorul începe să se topească, se descompune la căldură prelungită, iar în jurul valorii de +130 °C apare scurtcircuitul și celula intră în ambalare termică, mai pe românește, explodează.

Aceasta este o mini-explozie; nu ar fi o mare problemă dacă această celulă s-ar afla într-o oală neinflamabilă, afară în natură. Dar nu este așa, ci este asamblată strâns împreună cu o mulțime de alte celule care, din cauza utilizării la mașină, se află exact în aceeași stare critică de încălzire.

Căldura primei mini-explozii încălzește celula vecină, căreia exact asta îi mai lipsea ca să explodeze și ea. Celulele se deschid, umiditatea din aer (apa) pătrunde în celulă și întreține focul…
Pachetul de acumulatori cu litiu se aprinde din cauza supraîncălzirii, întregul pachet va arde, împreună cu mașina. Întâmplător, dacă lângă mașină parchează și alte mașini electrice, de exemplu într-un garaj, atunci s-a dus toată casa!

Trebuie să fim conștienți de aceste procese. În același timp, nu trebuie să ne temem de transportul electric din cauza riscului de incendiu, dar regulile trebuie respectate. Și o mașină pe benzină poate exploda dacă verificăm nivelul de benzină la lumina unui chibrit! Dacă putem trăi alături de benzină, probabil vom reuși să trăim și alături de litiu!

Structura pachetului de acumulatori

Cea mai mică unitate a pachetului de acumulatori este celula, care poate avea formă cilindrică, prismatică și de pungă :

Celula cilindrică se fabrică la fel ca o ruladă cu gem, și practic la fel și cea tip pungă, doar că aceasta din urmă este aplatizată într-o direcție.

Celulele cilindrice și prismatice au o carcasă rigidă, în timp ce celula tip pungă are o carcasă moale. Din celule se asamblează module, iar din module se formează pachetul de acumulatori.

Curentul continuu al panourilor solare trebuie transformat în curent alternativ. Transformarea implică pierderi. Sperăm că oricine citește acest lucru știe și înțelege acest fapt! Transformatorul în sine este invertorul. Producătorii specifică randamentul maxim, de exemplu SAJ R5-6K-T2: 98,3%. Este scris acolo, să-l interpretăm! Randament maxim, adică randamentul se modifică în funcție de condițiile de funcționare, iar producătorul oferă numărul cel mai frumos și mai mare. Cu cât este nevoie de mai puțină transformare, cu atât mai mici sunt pierderile, prin urmare, deși intervalul tensiunii de intrare este cuprins între 160V și 950V, cel mai bine este ca nivelul tensiunii DC și nivelul tensiunii AC să fie apropiate.

Ne putem da seama că există pierderi și din faptul că există atât un radiator de răcire, cât și un ventilator de răcire. Curba de randament a invertorului:

Din diagramă reiese că:

• pe de o parte, la o putere mică randamentul este mai scăzut, apoi peste 30% este practic constant,
• pe de altă parte, randamentul este mai ridicat la DC 600V acolo unde este nevoie de mai puțină transformare,
• o tensiune DC mai mică sau mai mare înseamnă mai multă transformare, deci mai multe pierderi.

Toate acestea înseamnă că este recomandat ca tensiunea de intrare și cea de ieșire să fie proiectate în intervale apropiate.

Tocmai de aceea, deoarece motoarele de propulsie ale vehiculelor electrice funcționează într-un interval cuprins între 200V și 800V, este recomandat ca și sistemul electronic (astfel și invertorul mașinii) să funcționeze în acest interval de tensiune. Dacă tensiunea pachetului de acumulatori este la acest nivel, electronica internă a mașinii va funcționa cu un randament bun.

Structura pachetului de acumulatori al unui model concret: Tesla Model 3

Deoarece tensiunea celulei poate varia între ~3,0V și 4,2V în funcție de nivelul de încărcare, tensiunea la borne poate varia între ~290V și 400V. Valoarea nominală este de 355V.

Tesla a construit un pachet de acumulatori mai mic, de 50kWh, și unul mai mare, de 74kWh, din celule de 4500mAh

Se poate observa clar că o capacitate mai mare a acumulatorului s-a realizat nu prin inserierea mai multor blocuri, ci prin creșterea numărului de celule conectate în paralel în interiorul blocurilor, pentru ca tensiunea să rămână optimă!