¿Cómo hacer que las grandes células de almacenamiento de energía sean a la vez grandes y seguras?

Rápido aumento de la capacidad de la batería

En la actualidad, las principales pilas de batería siguen siendo principalmente de 280 Ah. Sin embargo, a medida que se acelera la iteración tecnológica, la tendencia de las pilas de gran capacidad se ha hecho cada vez más evidente. Actualmente, las pilas de gran capacidad que superan los 300 Ah han aparecido en más de 20 categorías.

La mayoría de los 10 principales fabricantes de baterías de ión litio han desarrollado celdas con capacidades superiores a 300Ah. Tanto EVE como VISION han desarrollado baterías de capacidad ultra grande de 560Ah y 580Ah. Tomando como ejemplo la célula de almacenamiento de energía VISION de mayor capacidad actual, su ciclo de vida alcanza las 10.000 veces.

Un anuncio publicado por EVE muestra que la célula de batería grande de 560Ah tiene un ciclo de vida de más de 12.000 veces, lo que puede reducir el coste de las aplicaciones de integración de sistemas en 10%, reducir el número de piezas en 47% y aumentar la eficiencia de la producción en 30%.

El diseño de la célula de la batería de gran capacidad reduce aún más el coste de la carcasa de la batería y la cubierta superior, y también se mejorará la tasa de utilización de materiales durante el proceso de producción real, lo que aportará una mayor competitividad de precios.

Mientras tanto, en términos de diseño integral del sistema, las baterías de mayor capacidad aportan una mayor densidad de energía en volumen, lo que puede reducir el consumo de equipos auxiliares integrales durante el proceso de diseño del contenedor, como el número total de aires acondicionados, el total de contenedores y el total de equipos de seguridad contra incendios.

No es que cuanto mayor sea la célula de la batería, mayor será el beneficio. A juzgar por la situación actual del mercado, la intención original de cada empresa al desarrollar grandes células de batería es reducir costes.

Cuál de ellas se convertirá en la corriente dominante del mercado en el futuro sigue dependiendo de cuál tenga el coste más bajo en aplicaciones de gran superficie, de forma similar a la anterior disputa sobre el tamaño fotovoltaico.

Encontrar el punto de equilibrio del triángulo

Se entiende que la capacidad de la batería alcanza los 320Ah, y la temperatura interna de la batería superará los 800°C.

Es superior a la temperatura de descomposición del fosfato de hierro y litio, lo que sin duda planteará retos a otros aspectos de la cadena industrial, como la seguridad de las baterías, la energía de diseño y los procesos de producción y fabricación.

La investigación y el desarrollo de celdas de batería es también un "triángulo imposible", es decir, es imposible tener al mismo tiempo alta densidad de energía, altos tiempos de ciclo y alta seguridad. La densidad energética es la cuestión primordial que debe tenerse en cuenta en casi todos los diseños de baterías.

Cuando la densidad energética del diseño aumenta, el núcleo de la batería tiene que elegir un separador más fino, y el material también tiene que utilizarse bajo una compactación y densidad de área extremas.

Por un lado, un diseño tan extremo dificultará la absorción de líquido del núcleo de la batería, lo que afectará al rendimiento del ciclo.

Por otro lado, los separadores de aluminio-plástico más finos y los materiales con mayor densidad energética también implican peores prestaciones de seguridad. La densidad energética y el rendimiento de las células son cuestiones que no pueden evitarse en ningún diseño.

Cuando la densidad de energía tiene una mayor ventaja, puede haber ciertos peligros ocultos en el rendimiento de seguridad del ciclo del núcleo de la batería. Cuando el rendimiento de seguridad del ciclo es 100% correcto, la densidad de energía es baja y el producto carece de una fuerte competitividad, por lo que las empresas encontrarán básicamente un punto de equilibrio.

Los fabricantes de pilas suelen anunciar ciclos de vida útil de 6.000, 8.000 y 12.000 veces, resultados derivados de entornos experimentales y modelos de datos específicos. Cuando las células se empaquetan en paquetes de baterías y se utilizan en sistemas de almacenamiento de energía, la vida útil del ciclo económico no alcanzará los tiempos mencionados.

Después de que se lance al mercado la 280AH en 2020, no más de tres fábricas de núcleos de baterías podrán producirla en 2021, y se convertirá en la corriente principal de las aplicaciones de centrales eléctricas de almacenamiento de energía en 2022.

Una vez instalado el primer lote de baterías 280AH, se producirá un fuerte aumento de los incidentes posventa en torno a 2025. Todo está por verificar con el tiempo.

La seguridad viene determinada por múltiples vínculos

La aplicación de baterías de gran capacidad es un arma de doble filo. Aunque reduce los costes y acelera el desarrollo del mercado, también conlleva los correspondientes problemas técnicos y peligros para la seguridad que hay que resolver.

La seguridad a nivel de sistema de las grandes células de almacenamiento de energía viene determinada por múltiples eslabones, como el diseño de la seguridad de la célula, el diseño del aislamiento de la propagación térmica, el diseño del mecanismo de alerta temprana del sistema y el diseño del sistema de protección contra incendios.

Desde una perspectiva puramente de batería, a medida que mejora el nivel de los equipos de automatización, las capacidades de control de la producción de fabricante de baterías de litio también se ha mejorado.

Al mismo tiempo, con la mejora de los equipos y métodos de prueba automatizados, también hay métodos de vanguardia para el control de seguridad de las celdas de las baterías antes de salir de la fábrica.

Por supuesto, también se producirán los correspondientes cambios en el campo de los materiales, como la aplicación de sistemas separadores con mayor resistencia al calor y estabilidad, la aplicación de aditivos auxiliares en las celdas de las baterías, etc., que seguirán mejorando la seguridad y estabilidad de las baterías.

Sin embargo, desde el punto de vista electroquímico, las baterías de iones de litio aún no pueden garantizar una seguridad absoluta. Los riesgos potenciales exigen medidas de seguridad eficaces tras un fallo desde el punto de vista del diseño del sistema, la advertencia de seguridad, la protección contra incendios y otras estrategias de gestión. Por ello, el futuro diseño de la seguridad pasa por un enfoque sistemático.

Según algunos conocedores del sector, la clave de la seguridad de las grandes baterías reside en el integrador, porque básicamente no hay posibilidad de combustión espontánea de las grandes células de litio de almacenamiento de energía si pierden el control.

En la fase inicial de pérdida de control se emiten hidrógeno y monóxido de carbono, ambos gases inflamables. Por lo tanto, la seguridad del almacenamiento de energía radica en si el integrador de almacenamiento de energía puede controlar las llamas abiertas en los contenedores a nivel de grupo.

El tiempo de transferencia entre celdas térmicas de las baterías de litio es relativamente largo, lo que proporciona buenas condiciones para el almacenamiento de energía, la extinción de incendios y la refrigeración. Sin embargo, si los integradores no utilizan agua nebulizada fina para enfriar las baterías combinadas, esta condición ventajosa no funcionará.

Sin embargo, no basta con realizar ensayos de baterías ignífugas a nivel de módulo o de batería combinada. Debe ser certificada por el Centro de Supervisión de la Clasificación de Protección contra Incendios de UL a nivel de ensamblaje de la unidad e instalación.

Al mismo tiempo, la elección de la válvula antideflagrante para el diseño de la caja enchufable es muy importante. Las válvulas de alivio de presión de muelle utilizadas habitualmente no pueden disipar el calor y necesitan mejoras urgentes.

Además, la puerta o el diseño de la caja del contenedor deben estar equipados con una placa de alivio de presión con un gran diámetro, y no puede ser completamente sellado con el fin de perseguir la integración y el nivel de protección.

Como integrador de sistemas posteriores, las pilas de batería no son más que una especie de accesorio para ellos. La seguridad de las pilas de batería sigue dependiendo de la fabricación del fabricante de pilas de batería y del nivel de pruebas de las agencias de pruebas de terceros.

Resumen

En la actualidad, no existe un modelo de celda de batería verdaderamente universal, y la industria aún no ha estandarizado completamente los modelos de celda de batería de almacenamiento de energía. En el futuro, con los avances tecnológicos y unos diseños más razonables, surgirán más soluciones de pilas de almacenamiento de energía.

Las empresas deben llevar a cabo la investigación y el desarrollo de pilas a lo largo de múltiples modelos de pilas, múltiples sistemas de materiales, múltiples soluciones de costes, etc.

Creemos que, con la aplicación y las pruebas de mercado, se conseguirán mejores solución de batería y se producirán nuevos avances en el campo del almacenamiento de energía. Se trata de un requisito previo importante para el desarrollo de la industria del almacenamiento de energía.