Достижение долгого

Dec 21, 2023

Литиевые батареи со сверхдлительным сроком службы питают удаленные беспроводные устройства во всем IIoT, причем некоторые элементы работают до 40 лет. Эта функция впервые появилась в выпуске журнала Automation 2023 «Промышленный Интернет вещей и Индустрия 4.0».

Батареи с увеличенным сроком службы необходимы для удаленных беспроводных устройств, используемых во всем IIoT, обеспечивая значительную экономическую выгоду за счет уменьшения или устранения необходимости замены батарей. Использование сверхдолговечной батареи может привести к значительной экономии затрат на удаленные беспроводные приложения за счет устранения трудозатрат, связанных с заменой батареи, которая неизменно превышает стоимость самой батареи. Это преимущество экономии денег особенно важно для удаленных беспроводных устройств, развернутых в удаленных местах и ​​агрессивных средах, где доступ к батарее может быть слишком дорогостоящим, а иногда и невозможным.

Существует два типа маломощных устройств. Подавляющее большинство этих устройств работают в основном в режиме ожидания и потребляют средний ток, измеряемый в микроамперах, с импульсами в несколько ампер для обеспечения двусторонней беспроводной связи. В этих приложениях обычно используются первичные (неперезаряжаемые) литиевые батареи промышленного класса, особенно когда доступ к батареям ограничен или в суровых условиях. Если аккумулятор легко доступен для замены и работает в умеренном температурном диапазоне, то аккумуляторы потребительского класса можно рассматривать как более экономичное решение. Существуют также определенные нишевые приложения, которые потребляют среднюю энергию, измеряемую в миллиамперах, с импульсами в несколько раз. Диапазон ампер, потребляющий в среднем достаточно энергии, чтобы сократить срок службы основной батареи. Эти приложения с более высоким потреблением могут потребовать использования устройства сбора энергии в сочетании с перезаряжаемой литий-ионной (Li-ion) батареей для хранения собранной энергии. Сейчас доступны литий-ионные аккумуляторы промышленного класса, которые могут работать до 20 лет. Доступны многочисленные типы первичных (неперезаряжаемых) химических элементов, каждый из которых предлагает уникальные преимущества в производительности и компромиссы. Эти химические элементы включают щелочь, дисульфат железа (LiFeS2), литий-марганцевый диоксид (LiMnO2), литий-тионилхлорид (LiSOCl2) и оксид металлического лития (таблица 1). Таблица 1. Батарейки LiSOCl2 катушечного типа являются предпочтительными для использования в удаленных беспроводных системах. Приложения. Эти элементы обеспечивают более высокую емкость и плотность энергии, срок службы до 40 лет и максимально широкий температурный диапазон, что идеально подходит для труднодоступных мест и экстремальных условий. 2) в подавляющем большинстве предпочтителен для долгосрочного развертывания в удаленных местах из-за его более высокой емкости и плотности энергии, более широкого температурного диапазона и невероятно низкого годового уровня саморазряда, составляющего менее 1% в год для некоторых элементов.

Устройства, подключенные к IIoT, используют двустороннюю беспроводную связь, что требует специализированных решений по управлению питанием. Чтобы максимально увеличить срок службы батареи, эти устройства должны быть спроектированы так, чтобы экономить энергию за счет использования различных методов энергосбережения, включая использование протокола связи с низким энергопотреблением (WirelessHART, ZigBee, LoRa и т. д.), наборов микросхем с низким энергопотреблением и запатентованных технологий. методы, предназначенные для минимизации энергопотребления, когда устройство находится в «активном» режиме. Хотя эти методы энергосбережения чрезвычайно полезны, они часто затмеваются потерями энергии, связанными с ежегодным саморазрядом. Саморазряд присущ всем батареям, поскольку химические реакции происходят даже тогда, когда элемент отсоединен или находится на хранении. Годовая скорость саморазряда батареи может значительно варьироваться в зависимости от ее химического состава, конструкции элемента, текущего потенциала разряда, качества и чистоты сырья и, что наиболее важно, способности использовать эффект пассивации. Уникально для В батареях LiSOCl2 пассивация включает тонкую пленку хлорида лития (LiCl), которая образуется на поверхности литиевого анода для ограничения реакционной способности, когда он не используется. Элементы LiSOCl2 могут быть сконструированы двумя способами: элементы катушечного типа имеют меньшую реактивную площадь поверхности, что идеально подходит для уменьшения саморазряда. Однако компромиссом является неспособность доставлять энергию с высокой скоростью. Батареи LiSOCl2 также могут быть изготовлены со спиральной конструкцией, которая обеспечивает более высокую скорость потока энергии, но при этом сокращается срок службы из-за более высокого саморазряда. Всякий раз, когда к элементу прикладывается нагрузка, пассивирующий слой вызывает начальный высокое сопротивление и временное падение напряжения до тех пор, пока реакция разряда не начнет рассеивать слой LiCl, и этот процесс повторяется каждый раз при снятии нагрузки. На способность клетки использовать эффект пассивации может влиять ее текущая емкость; продолжительность хранения; температура хранения; температура нагнетания; и условия предшествующего разряда, поскольку снятие нагрузки с частично разряженного элемента увеличивает уровень пассивации по сравнению с тем, когда он был новым. Опытные производители аккумуляторов могут оптимизировать эффект пассивации за счет использования более качественного сырья и применения запатентованных технологий производства. Хотя пассивация может быть очень полезной для снижения годовой скорости саморазряда, этот процесс необходимо тщательно использовать, чтобы избежать чрезмерного ограничения потока энергии.