Aujourd’hui, presque tout le monde a dans sa poche un téléphone (smartphone, téléphone avec appareil photo, tablette) qui peut surpasser en termes de performances votre ordinateur personnel, que vous n’avez pas mis à jour depuis plusieurs années. Chaque gadget que vous possédez est équipé d’une batterie au lithium polymère. Maintenant, la question est : quel lecteur se souviendra exactement de la date exacte du passage irrévocable des « composeurs » aux appareils multifonctionnels ?
C'est difficile... Il faut solliciter sa mémoire, se souvenir de l'année où vous avez acheté votre premier téléphone « intelligent ». Pour moi, c'est vers 2008-2010. À cette époque, la capacité d'une batterie au lithium pour un téléphone ordinaire était d'environ 700 mAh ; aujourd'hui, la capacité des batteries de téléphone atteint 4 XNUMX mAh.
Une capacité augmentée de 6 fois, malgré le fait qu'en gros, la taille de la batterie n'a augmenté que de 2 fois.
Comme nous , les solutions lithium-ion pour UPS conquièrent rapidement le marché, présentent de nombreux avantages indéniables et (surtout dans une salle de serveurs).
Mes amis, aujourd'hui, nous allons essayer de comprendre et de comparer les solutions basées sur les batteries fer-lithium phosphate (LFP) et lithium-manganèse (LMO), d'étudier leurs avantages et leurs inconvénients et de comparer les unes avec les autres selon un certain nombre d'indicateurs spécifiques. Permettez-moi de vous rappeler que les deux types de batteries appartiennent aux batteries lithium-ion et lithium-polymère, mais diffèrent par leur composition chimique. Si vous êtes intéressé par une suite, n'hésitez pas, sous le chat.
Perspectives des technologies du lithium dans le stockage de l'énergie
La situation actuelle dans la Fédération de Russie en 2017 était la suivante.
Source : « Concept pour le développement de systèmes de stockage d'électricité dans la Fédération de Russie », Ministère de l'Énergie de la Fédération de Russie, 21 août 2017.
Comme vous pouvez le constater, la technologie lithium-ion était à l'époque à la pointe en matière d'approche de la technologie de production industrielle (principalement la technologie LFP).
Regardons ensuite les tendances aux États-Unis, ou plus précisément, considérons la dernière version du document :
Référence : ABBM sont des générateurs d'énergie pour alimentations sans coupure, qui sont utilisés dans l'industrie de l'énergie électrique pour :
- Réservation d'électricité pour les consommateurs particulièrement importants en cas d'interruption de l'alimentation électrique pour besoins propres (SN) 0,4 kV dans une sous-station (PS).
- En tant que lecteur « tampon » pour les sources alternatives.
- Compensation des coupures d'électricité lors des pointes de consommation pour soulager les installations de production et de transport d'électricité.
- Accumulation d'énergie pendant la journée lorsque son coût est faible (la nuit).
Comme nous pouvons le constater, les technologies Li-Ion, à partir de 2016, occupent fermement la position de leader et affichent une croissance multiple rapide en termes de puissance (MW) et d’énergie (MWh).
Dans le même document, nous pouvons lire ce qui suit :
« Les technologies lithium-ion représentent plus de 80 % de la puissance et de l’énergie ajoutées générées par les systèmes ABBM aux États-Unis fin 2016. Les batteries lithium-ion ont un cycle de charge très efficace et libèrent plus rapidement l’énergie accumulée. De plus, elles ont une densité énergétique élevée (densité de puissance, ndlr) et des courants de sortie élevés, ce qui a conduit à leur choix comme batteries pour l’électronique portable et les véhicules électriques.
Essayons de comparer deux technologies de batteries lithium-ion pour UPS
Nous comparerons les cellules prismatiques construites sur la chimie LMO et LFP. Ce sont ces deux technologies (avec des variantes telles que LMO-NMC) qui constituent désormais les principales conceptions industrielles de divers véhicules électriques et véhicules électriques.
Une digression lyrique sur les batteries des véhicules électriques peut être lue iciVous demandez, qu’est-ce que le transport électrique a à voir là-dedans ? Je m'explique : la diffusion active des véhicules électriques utilisant les technologies Li-Ion a depuis longtemps dépassé le stade des prototypes. Et comme nous le savons, toutes les dernières technologies nous viennent de nouveaux domaines coûteux de la vie. Par exemple, de nombreuses technologies automobiles nous sont venues de la Formule 1, de nombreuses nouvelles technologies sont venues dans nos vies du secteur spatial, etc. Par conséquent, à notre avis, les technologies lithium-ion pénètrent désormais dans les solutions industrielles.
Regardons un tableau comparatif entre les principaux fabricants, la chimie des batteries et les constructeurs automobiles eux-mêmes qui produisent activement des véhicules électriques (hybrides).
Nous sélectionnerons exclusivement des cellules prismatiques adaptées au facteur de forme pour une utilisation dans un UPS. Comme vous pouvez le constater, le titanate de lithium (LTO-NMC) est un outsider en termes d’énergie spécifique stockée. Il reste trois fabricants de cellules prismatiques adaptées à une utilisation dans des solutions industrielles, notamment les batteries UPS.
Je citerai et traduirai le document « Évaluation du cycle de vie de l'électrode de lithium longue durée pour batteries de véhicules électriques - cellule pour bus LEAF, Tesla et VOLVO » (Original « Évaluation du cycle de vie de l'électrode de lithium longue durée pour batteries de véhicules électriques - cellule pour LEAF , Tesla et Volvo bus" daté du 11 décembre 2017 de Mats Zackrisson. Il examine principalement les processus chimiques dans les batteries des véhicules, l'influence des vibrations et des conditions climatiques de fonctionnement, ainsi que les dommages à l'environnement. Cependant, il y a une phrase intéressante concernant la comparaison de deux technologies de batteries lithium-ion.
Dans ma traduction gratuite, cela ressemble à ceci :
La technologie NMC présente un impact environnemental par véhicule kilométrique inférieur à celui de la technologie LFP avec une cellule de batterie à anode métallique, mais il est difficile de réduire ou d'éliminer les erreurs. L'idée principale est la suivante : la densité énergétique plus élevée du NMC se traduit par un poids inférieur et donc une consommation d'énergie inférieure.
1) Technologie LMO à cellules prismatiques, fabricant , coûte 400 $.
Apparition de la cellule LMO
2) Technologie LFP à cellules prismatiques, fabricant , coûte 160 $.
Apparition d'une cellule LFP
3) A titre de comparaison, ajoutons une batterie de secours pour avion construite sur la technologie LFP et celle-là même qui a participé au scandale sensationnel , fabricant True Blue Power.
Apparition de la batterie TB44
4) Par souci d’objectivité, ajoutons une batterie UPS standard
Apparition d'une batterie UPS classique
Mettons les données sources dans un tableau.
Comme on peut le constater, en effet, les cellules LMO ont le rendement énergétique le plus élevé ; le plomb classique est au moins deux fois plus économe en énergie.
Il est clair pour tout le monde qu'un système BMS pour un ensemble de batteries Li-Ion ajoutera du poids à cette solution, c'est-à-dire qu'il réduira l'énergie spécifique d'environ 20 % (la différence entre le poids net des batteries et celui de la solution complète). en tenant compte des systèmes BMS, coque du module, contrôleur d'armoire batterie). La masse des cavaliers, du coupe-batterie et de l'armoire à batteries est supposée être conditionnellement égale pour les batteries lithium-ion et pour le réseau de batteries au plomb.
Essayons maintenant de comparer les paramètres calculés. Dans ce cas, nous accepterons la profondeur de décharge pour le plomb à 70 % et pour le Li-Ion à 90 %.
A noter que la faible énergie spécifique d'une batterie d'avion est due au fait que la batterie elle-même (qui peut être considérée comme un module) est enfermée dans un boîtier métallique ignifuge, dispose de connecteurs et d'un système de chauffage pour fonctionner à basse température. A titre de comparaison, un calcul est donné pour une cellule de la batterie TB44, à partir duquel nous pouvons conclure que les caractéristiques sont similaires à celles d'une cellule LFP conventionnelle. De plus, la batterie de l'avion est conçue pour des courants de charge/décharge élevés, ce qui est associé à la nécessité de préparer rapidement l'avion pour un nouveau vol au sol et à un courant de décharge important en cas d'urgence à bord, par exemple, une perte de puissance à bord
C'est d'ailleurs ainsi que le constructeur lui-même compare différents types de batteries d'avions
Comme nous le voyons dans les tableaux :
1) La puissance de l’armoire batterie dans le cas de la technologie LMO est plus élevée.
2) Le nombre de cycles de batterie pour le LFP est plus élevé.
3) La densité du LFP est moindre ; par conséquent, avec la même capacité, l'armoire de batterie basée sur la technologie fer-lithium phosphate est plus grande.
4) La technologie LFP est moins sujette à l’emballement thermique, en raison de sa structure chimique. En conséquence, il est considéré comme relativement sûr.
Pour ceux qui souhaitent comprendre clairement comment les batteries lithium-ion peuvent être combinées dans un ensemble de batteries pour fonctionner avec un UPS, je recommande de jeter un œil ici.Par exemple, ce diagramme. Dans ce cas, le poids net des batteries sera de 340 kg, la capacité sera de 100 ampères-heures.
Ou un circuit pour LFP 160S2P, où la masse nette des batteries sera de 512 kg et la capacité sera de 200 ampères-heures.
CONCLUSION: Bien que les batteries dotées de la chimie du phosphate de fer-lithium (LiFeO4, LFP) soient principalement utilisées dans les véhicules électriques, leurs caractéristiques présentent un certain nombre d'avantages par rapport à la formule chimique LMO, elles permettent de charger à un courant plus élevé et sont moins sensibles. au risque d’emballement thermique. Le type de batteries à choisir reste à la discrétion du fournisseur d'une solution intégrée prête à l'emploi, qui le détermine en fonction d'un certain nombre de critères, notamment le coût du réseau de batteries faisant partie de l'onduleur. À l'heure actuelle, tout type de batteries lithium-ion est encore inférieur en coût aux solutions classiques, mais la puissance spécifique élevée des batteries au lithium par unité de masse et leurs dimensions réduites détermineront de plus en plus le choix vers de nouveaux dispositifs de stockage d'énergie. Dans certains cas, le poids brut inférieur de l'onduleur détermine le choix vers de nouvelles technologies. Ce processus se déroulera complètement inaperçu et est actuellement entravé par le coût élevé dans le segment des prix bas (solutions domestiques) et par l'inertie de la réflexion sur la sécurité incendie du lithium chez les clients qui recherchent les meilleures options d'onduleurs dans le secteur des onduleurs industriels. segment d’une capacité supérieure à 100 kVA. Le niveau intermédiaire de puissance UPS de 3 kVA à 100 kVA peut être mis en œuvre à l'aide de technologies lithium-ion, mais en raison de la production à petite échelle, il est assez coûteux et inférieur aux modèles UPS série prêts à l'emploi utilisant des batteries VRLA.
Vous pouvez en savoir plus et discuter d'une solution spécifique utilisant des batteries lithium-ion pour votre salle de serveurs ou votre centre de données en envoyant une demande par e-mail. , ou en faisant une demande sur le site Internet de l’entreprise .
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Auteur: Koulikov Oleg
Ingénieur de conception principal
Département Solutions d'Intégration
Entreprise de technologies ouvertes
Source: habr.com