Первая в мире мощная система алюминиево-ионных аккумуляторов для хранения энергии
Аккумулятор FIAMM 12 FGHL 34
Впервые была создана и протестирована полноценная система алюминиево-графитовых двухионных аккумуляторов, которая показала, что безлитиевые аккумуляторы высокой мощности могут обеспечивать стабильность, быстрый отклик и возможность вторичной переработки для сетевых приложений следующего поколения.
Система алюминиево-графитовых двухионных аккумуляторов, состоящая из аккумуляторных элементов, аккумуляторного модуля, системы управления аккумуляторами и квантового датчика
Важным этапом в развитии технологии безлитиевых аккумуляторов стал совместный научно-исследовательский проект INNOBATT, возглавляемый Институтом комплексных систем и технологий устройств Фраунгофера (IISB). В рамках этого проекта был создан демонстрационный образец аккумуляторной системы на основе алюмографито-двойных ионных аккумуляторов (AGDIB). Демонстрационный образец подтверждает стабильность этой новой химической структуры не только в лабораторных условиях, но и при реальных сценариях эксплуатации.
Перезаряжаемая литий-ионная батарея — это экономичная, негорючая технология хранения энергии, в которой используются легкодоступные активные материалы — алюминий и графит. Благодаря использованию природного графита в качестве катодного материала литий-ионные батареи могут достигать плотности энергии 160 Вт·ч/кг и удельной мощности более 9 кВт/кг. Будучи мощными накопителями энергии, литий-ионные батареи могут быстро заряжаться и разряжаться с высокой скоростью, что позволяет использовать их в системах с быстрым откликом.
По данным Фраунгоферовского института IISB, обратимая химическая реакция позволяет проводить более 10 000 циклов при 100 % глубине разряда (DoD) в лабораторных испытательных ячейках с почти 100 % кулоновской эффективностью и энергетической эффективностью выше 85 %. Разработанные для литий-ионных аккумуляторов многослойные элементы питания, устойчивые к коррозии, имеют ёмкость до 200 мА·ч и выдерживают более 1000 циклов для 4-слойных элементов ёмкостью 200 мА·ч при 6 C и более 7000 циклов для однослойных элементов ёмкостью 30 мА·ч при 30 C.
Обладая такими возможностями, литий-ионные аккумуляторы демонстрируют большой потенциал в стационарных и гибридных мобильных приложениях, особенно в качестве систем USP и высокопроизводительных накопителей для динамической стабилизации энергосистемы, где частые микроциклы с низким энергопотреблением требуют высокой мощности, а не высокой плотности энергии.
В то время как многие новые технологии производства аккумуляторов без использования лития остаются на лабораторном уровне, демонстрационные образцы системного уровня встречаются редко. В рамках проекта INNOBATT после предварительного масштабирования технологии AGDIB для малогабаритных аккумуляторных элементов был создан демонстрационный образец полноценной аккумуляторной системы, о чём в конце ноября сообщила компания Fraunhofer IISB. Разработка была сосредоточена на всей цепочке создания стоимости: экологичном химическом составе аккумуляторных элементов без использования лития, интеграции беспроводной системы управления аккумулятором (BMS), двунаправленном квантовом измерении тока и возможности вторичной переработки.
В реалистичном тестовом сценарии демонстрационная система объединяет восемь аккумуляторных элементов AGDIB с беспроводной системой управления батареями на базе платформы foxBMS® с открытым исходным кодом, обеспечивающей безопасную радиочастотную связь и квантовый датчик на основе алмаза для измерения силы тока с высоким разрешением.
Активные материалы и конструкция элементов были оптимизированы для повышения стабильности, надёжности и воспроизводимости. Аккумуляторный модуль был собран в конфигурации 4s2p, при этом BMS-Slave взаимодействовал по беспроводной связи с BMS-Master. Квантовый датчик на основе NV-центров в алмазе измеряет токи с точностью до пяти порядков, фиксируя как малые, так и большие динамические токи.
По словам представителей Fraunhofer IISB, эта система успешно подтверждает высокую мощность технологии AGDIB для стабилизации энергосистемы. Результаты, полученные ранее на уровне ячеек, были подтверждены на уровне модулей с использованием данных в реальном времени для имитации мгновенного резервирования. Система сохраняла стабильную производительность при динамических нагрузках с высоким током при температуре 10 C, демонстрируя масштабируемость AGDIB за счёт успешного производства ячеек, их соединения и системной интеграции. В отличие от многих традиционных аккумуляторных систем, AGDIB поддерживает очень высокие скорости зарядки и разрядки, что делает её подходящей для таких задач, как обеспечение виртуальной инерции в сети.
Возможность вторичной переработки была одним из основных факторов при разработке. Материалы, из которых изготовлены элементы, можно разделить физически без использования токсичных химикатов, что обеспечивает замкнутый цикл производства. Конструкция модуля соответствует стратегии проектирования с учетом возможности вторичной переработки, что позволяет повысить эффективность переработки аккумуляторов в соответствии с действующими нормативными требованиями ЕС и продемонстрировать устойчивую систему хранения энергии, готовую к будущему.
В то время как многие новые технологии без использования лития тестируются на лабораторных ячейках, демонстрационные образцы аккумуляторных систем с использованием новых химических элементов встречаются редко. Однако демонстрационный образец аккумуляторной системы на основе AGDIB был создан в рамках проекта INNOBATT после того, как в ходе предыдущих исследовательских проектов технология была масштабирована до небольших ячеек в форме мешочков. Об этом в конце ноября сообщила Frauenhofer IISB, руководитель консорциума проекта INNOBATT. При разработке этой инновационной аккумуляторной системы особое внимание уделялось всей цепочке создания ценности: от экологичной химии элементов без содержания лития до интеграции беспроводной системы управления аккумуляторами (BMS) и двунаправленных квантовых датчиков тока, а также вопросам вторичной переработки.
В реалистичном тестовом примере демонстратор INNOBATT доказывает стабильность аккумуляторных элементов нового типа. Объединяющий восемь ячеек AGDIB pouch с беспроводной системой BMS на базе платформы BMS с открытым исходным кодом foxBMS® от Fraunhofer IISB с безопасной радиочастотной связью (RF), прототип также оснащен новым квантовым датчиком на основе алмаза для измерения тока с высоким разрешением.
Активные материалы AGDIB и конструкция ячеек были усовершенствованы для повышения стабильности и надёжности ячеек, а также для обеспечения воспроизводимых показателей производительности. Это позволило обеспечить надлежащее согласование ячеек, несмотря на ручное производство. Аккумуляторный модуль был собран в конфигурации 4s2p с использованием ведомого модуля BMS с безопасной беспроводной радиочастотной связью с ведущим модулем BMS. Квантовый датчик основан на NV-центрах в алмазе. По сравнению с обычными датчиками тока, диапазон измерений охватывает пять порядков величин. Таким образом, как малые, так и большие динамические токи можно измерить с очень высоким разрешением.
Эта аккумуляторная система успешно подтверждает эффективность литий-ионных аккумуляторов и их высокую мощность для стабилизации энергосистемы. Ранее полученные результаты на уровне отдельных элементов можно было проверить в рамках всего аккумуляторного модуля, смоделировав мгновенное резервирование на основе реальных частотных данных. Система стабильно работает при динамических нагрузках с высоким током 10C в течение длительного времени и, таким образом, демонстрирует способность AGDIB к масштабированию за счёт успешного производства элементов, их соединения и системной интеграции. Основным преимуществом AGDIB является то, что он обеспечивает очень высокую скорость разрядки и, в отличие от многих других аккумуляторных систем, высокую скорость зарядки, что необходимо для сетевых приложений (например, для обеспечения виртуальной инерции).
При разработке особое внимание уделялось возможности вторичной переработки элементов и модулей. Возможность вторичной переработки элементов оценивалась с помощью процесса физического разделения, исключающего использование токсичных химикатов и тем самым способствующего созданию замкнутых материальных циклов. При разработке модулей использовалась стратегия проектирования с учетом возможности вторичной переработки, что позволило превзойти действующие нормативные требования ЕС к эффективности переработки аккумуляторов и привело к созданию и демонстрации этой устойчивой системы хранения энергии.