FAQ по применению литий-ионных батарей в ИБП для ЦОД-ов

Литий-ионные аккумуляторы обладают рядом преимуществ перед традиционными свинцово-кислотными батареями с клапанным регулированием (VRLA), широко используемыми сегодня в ИБП. Гораздо более длительный срок службы, меньшие размеры и вес, более быстрое время перезарядки и снижение цен сделали литий-ионные батареи привлекательной технологией хранения энергии. Эта статья содержит краткие ответы на самые распространенные вопросы о литий-ионных батареях и их использовании ИБП и призвана помочь пользователю принять решение о том, какая технология аккумуляторов лучше всего подходит для использования в резервных источниках питания.

Что такое литий-ионный аккумулятор и чем он отличается от свинцово-кислотного аккумулятора?

Проще говоря, батарея-это электрохимическое устройство, которое накапливает энергию и высвобождает ее в виде электричества. Батареи обычно соединяются последовательно, параллельно или в комбинации для достижения любого напряжения и тока. Это простое описание применимо как к свинцово-кислотным, так и к литий-ионным батареям. Каждая батарея содержит катод (положительный электрод) и анод (отрицательный электрод), которые находятся в электролите. Электролит действует как катализатор для электрохимической реакции, которая приводит к зарядке и разрядке по мере того, как ионы перетекают от одного электрода к другому. Он также предотвращает обратный поток электронов, накопленных на аноде к катоду внутри самой батареи при отсутствии нагрузки. Химическая реакция приводит к разнице потенциалов заряда (то есть напряжения) между катодом и анодом, когда электроны накапливаются на аноде. При подключении нагрузки проводом к клеммам батареи индуцируется ток, который разряжает батарею в виде потока электронов (то есть тока) от анода (отрицательная клемма) к нагрузке, а затем к катоду (положительная клемма). Химический состав батареи меняется по мере возникновения этого потока ионов до тех пор, пока на анод не будет подаваться больше электронов, что приводит к разрядке батареи. Аккумулятор можно подзарядить с помощью внешнего источника питания, чтобы обратить вспять поток электронов через электролит от катода к аноду.

Схема работы аккумулятора

На рис. 1 показана простая диаграмма потока электронов внутри батареи и между ней и нагрузкой

Итак, принципиальным отличием литий-ионного аккумулятора от свинцово-кислотного является химический состав материалов, используемых в электродах и электролите. Большинство современных литий-ионных аккумуляторов используют оксид металла для катода и материал на основе углерода для анода. Раствор электролита представляет собой литиевую соль, растворенную в органическом растворителе. Свинцово-кислотная батарея, с другой стороны, использует диоксид свинца для катода, свинцовый анод и форму серной кислоты в качестве электролита. Эта химия в значительной степени определяет эксплуатационные возможности батареи. Таблица 1 освещает некоторые из высокоуровневых различий в производительности между двумя типами батарей, используемых в приложениях ИБП. Однако важно понимать, что между одной батареей и другой такого же типа могут быть большие различия в производительности из-за различий в химии (например, в составе электролита и электродов) и общем типе и качестве используемых материалов, а также конструкции элемента. Это затрудняет обобщение или обобщение характеристик литий-ионных аккумуляторов, если не предполагается их конкретное применение и конструкция.

Свойство

Литий-Ионные батареи

Свинцово-кислотные (VRLA)

Энергетическая плотность, Вт/Кг

70 - 60

15 - 50

Жизненный цикл

10 - 15 лет

4 - 6 лет

Число циклов заряда/разряда

>1000

200 - 400

Время перезарядки, час

1

6 - 12

Данная таблица показывает типичные диапазоны производительности для типа аккумуляторных батарей, используемых в ИБП сегодня.

Как соотносятся затраты на литий-ионные аккумуляторные системы с затратами на свинцово-кислотные аккумуляторные системы при использовании ИБП?

В целом, можно сказать, что установленная стоимость литий-ионной системы стоит примерно в 1,2-2 раза больше, чем у свинцовых VRLA при том же уровне мощности и времени работы. Высокая закупочная цена была основной причиной того, что использование литий-ионных батарей в ИБП было столь ограниченным. Однако стоит отметить, что всего несколько лет назад эта разница в стоимости составляла 10 раз. при таком снижении стоимости в сочетании с высокими эксплуатационными преимуществами литий-ионные системы все чаще становятся жизнеспособным вариантом хранения энергии для все большего числа людей. Растущий спрос, будущие технологические усовершенствования и дополнительное повышение эффективности производства, вероятно, приведут к дальнейшему снижению затрат. Свинцово-кислотные батареи, с другой стороны, представляют собой более старую, более зрелую технологию с меньшим шансом на значительную эволюцию, которая существенно изменила бы стоимость на квч гораздо дальше вниз.

Со стороны операционных расходов (OPEX) литий-ионная система имеет явное преимущество. Это в основном связано с тем, что продолжительность жизни примерно вдвое (или больше) превышает продолжительность жизни систем VRLA. В течение 15-летнего периода свинцовые аккумуляторы, вероятно, придется заменять 2-3 раза, тогда как литий-ионные вообще могут не нуждаться в каких-либо заменах (или, возможно, один раз), что значительно экономит деньги и сократит объем технического обслуживания. Срок службы литий-ионного аккумулятора часто рассчитывается для условий работы при более высокой температуре (40°C/104°F), чем свинцово-кислотные (20-25°C/68-77°F). Это может нести дополнительную экономию эксплуатационных расходов за счет снижения энергии охлаждения. А поскольку литий-ионные аккумуляторные системы на 50-80% меньше, освободившееся пространство можно было бы использовать более продуктивно. Финансовая ценность этого может еще больше повысить общую стоимость владения литий-ионными системами. В целом, если рассматривать 10-летний цикл, то системы ИБП на основе литий-ионных аккумуляторов имеют ТСО на 10-40% меньше, чем системы со свинцовыми аккумуляторами.

Насколько литий-ионные аккумуляторы безопасны?

Все типы батарей, по определению, хранят химическую энергию, поэтому каждая батарея при неправильном обращении (например, брошенная в огонь) или чрезмерном заряде потенциально может представлять опасность, высвобождая опасные материалы или воспламеняя огонь. Литий-ионные аккумуляторы считаются более нестабильными из-за сообщений о случаях возгорания и из-за их гораздо более высокой удельной энергии в сочетании с большей чувствительностью к чрезмерному заряду. Неправильно используемая литий-ионная батарея легче достигнет состояния "теплового разноса", поскольку она имеет более низкое сопротивление элемента и более высокую емкость для хранения энергии, чем свинцово-кислотная батарея. Однако за эти годы был достигнут значительный прогресс, что сделало их более безопасными и гораздо более сопоставимыми с точки зрения безопасности с другими широко используемыми типами батарей. Химические изменения и улучшения упаковки клеток сделали их более стабильными. Процессы производства стали зрелыми, а используемые материалы-более долговечными. Схемы управления батареями, предотвращающие перегрев или перезаряд, хорошо протестированы и доказали свою эффективность в полевых условиях.

Широкое использование литиевых батарей в производстве миллионов портативных электронных устройств, смартфонов и электромобилей является лучшим свидетельством их высокого уровня безопасности. Поскольку системы литий-ионных аккумуляторов гораздо более чувствительны к тому, как они заряжаются и разряжаются, все они включают в себя систему управления батареями, или BMS, состоящую из микропроцессоров, датчиков, коммутаторов и связанных с ними схемами. Он постоянно контролирует на клеточном уровне температуру батареи, уровень заряда и скорость заряда, чтобы защитить от коротких замыканий и перезаряда. Система также является инструментом защиты ячеек от повреждений, предотвращая слишком низкое напряжение при разрядке. BMS предоставляет ИБП и пользователю точную информацию о состоянии батареи, работоспособности и доступном времени выполнения. Хотя BMS делает литий - ионные аккумуляторные системы намного безопаснее, сами они имеют высокую стоимость. Литий-ионные батареи не содержат ртути, свинца, кадмия или любого другого материала, считающегося опасным. Конечно, это не означает, что переработка или отсутствие переработки не оказывает воздействия на окружающую среду, но правительство США считает их достаточно безопасными для захоронения на свалках.

В чём разница между типами литий-ионных батарей?

Все литий-ионные аккумуляторы сегодня используют в качестве электролита неметаллический раствор, содержащий литий-ионы. Этот слой является проводником электронов, в котором протекает ток между двумя электродами, катодом (+) и анодом (-). Катод представляет собой оксид металла, а анод выполнен из пористого углеродного материала. Меняя тип используемых материалов, можно менять характеристики самих аккумуляторов.

Некоторые батареи, например, сконструированы таким образом, чтобы максимизировать энергетическую емкость и обеспечить длительное время работы, измеряемое в часах. Их часто называют "энергетическими ячейками".

С другой стороны, «силовые элементы» настраиваются таким образом, чтобы обеспечить очень высокую плотность мощности (то есть удельную мощность), но с меньшей энергетической емкостью, когда вся ее мощность может быть подана на нагрузку за короткий промежуток времени. Поскольку системы ИБП, как правило, сконфигурированы так, чтобы расходовать свои батареи в течение короткого промежутка времени (минут), здесь используются силовые элементы. Таким образом, батареи проектируются для их предполагаемого применения. А новые химические технологии разрабатываются и тестируются, чтобы еще больше расширить границы современной технологии литий-ионных аккумуляторов. Распространенный способ дифференциации типов литий-ионных аккумуляторов основан на их основном активном химическом материале, который придает аккумулятору его уникальные, присущие ему свойства по сравнению с другими литий-ионными аккумуляторами. По данным Battery University3, шесть из наиболее распространенных типов:

  • Литий-кобальтовые (LiCoO2)
  • Литий-марганцевые (LiMn2O4 or “LMO”)
  • Литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (LiNiMnCoO2 or “NMC”)
  • Литий-железо-фосфатные (LiFePO4)
  • Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAIO2)
  • Литий-титанатные (Li4Ti5O12)

В таблице 2 показано, как различные типы химии отличаются друг от друга с точки зрения их ключевых атрибутов.

Тип химии

Ориентация на АКБ большой ёмкости

Ориентация на АКБ большого тока

Безопасность

Эффективность

Жизненный цикл

Стоимость

LiCoO2 (LCO)

Наивысшая

Средняя

Средняя

Высокая

Средний

Средняя

LiMn2O4 (LMO)

Высокая

Высокая

Высокая

Средняя

Средний

Средняя

LiNiMnCoO2 (NMC)

Наивысшая

Высокая

Высокая

Высокая

Длинный

Средняя

LiFePO4 (LFP)

Средняя

Наивысшая

Наивысшая

Высокая

Очень длинный

Средняя

LiNiCoAIO2 (NCA)

Наивысшая

Высокая

Средняя

Высокая

Длинный

Высокая

Li4Ti5O12 (LTO)

Средняя

Высокая

Наивысшая

Наивысшая

Очень длинный

Наивысшая

Есть и другие аспекты, помимо химии, которые отличают одну батарею от другой. Отдельные элементы батареи могут быть упакованы по-разному, и это оказывает влияние на производительность батареи. Существуют призматические мешки и банки, а также цилиндрические банки. От формы элементов, а также от типа и качество материалов, используемых в их конструкции, зависит вес батареи, плотность энергии, способности проводить тепло, долговечности (безопасности) и цены.

Тип батарей

Тип литий-ионных аккумуляторов:
а) - цилиндрический, b) - призматический, c) - мешок

Но даже две батареи одного типа с одним типом химии могут иметь разные характеристики. Производители ИБП должны выбрать конструкцию ячейки и уровень качества материала, соответствующий предполагаемому применению.

Могу ли я использовать литий-ионные аккумуляторы с существующим ИБП?

Только в том случае, если производитель ИБП говорит, что конкретный литий-ионный аккумулятор, о котором идет речь, совместим. Как было объяснено выше, литиевые батареи бывают самых разных типов, размеров, диапазонов напряжений, форм-факторов и типов разъемов. Эти различия должны учитываться при реализации инвертора ИБП, зарядного устройства, механического устройства и встроенного программного обеспечения. Тем не менее, предполагая, что напряжение аккумуляторной системы находится в пределах возможностей ИБП, вполне возможно, что существующий ИБП можно было бы сделать совместимым с помощью обновления встроенного программного обеспечения ИБП, чтобы обеспечить правильную реализацию процедур зарядки, правильные расчеты времени выполнения и точную отчетность о состоянии заряда. Всегда обращайтесь к производителю, чтобы определить, какие батареи безопасны и совместимы.

Как литий-ионные отличаются по размерам и весу от свинцово-кислотных аккумуляторов?

В целом литий-ионная аккумуляторная система для ИБП будет занимать на 50-80% меньше площади пола и весить на 60-80% меньше, чем аналогичная свинцово-кислотная система. Эта значительная экономия обусловлена очень высокой удельной энергией (плотностью энергии), характерной для литий-ионных аккумуляторов. Удельная мощность литиевых батарей, доступных сегодня, колеблется от 70 Втч/кг до 260 Втч/кг, причем большинство из них находятся в диапазоне 120-200. Для сравнения, типичная свинцово-кислотная батарея находится в диапазоне 30-50 Втч/кг.

Каков срок службы литий-ионных аккумуляторов?

Срок службы цикла - это количество раз, когда аккумулятор может быть полностью разряжен и заряжен в определенном диапазоне температур, прежде чем его нужно будет заменить. Как только емкость батареи при полном заряде достигает 60-80%, эта батарея становится непригодной для использования и должна быть заменена. Для традиционной герметичной свинцово-кислотной батареи срок службы составляет от 200 до 400 циклов. Типичный литий-ионный аккумулятор уже рассчитан более чем на 1000 циклов. Это число зависит от нескольких факторов, включая конкретную химию, используемую при проектировании. Некоторые литий-ионные аккумуляторы сегодня могут делать более 5000 циклов.

Какой тип обслуживания требуется?

Литий-ионные аккумуляторы имеют очень низкие требования к техническому обслуживанию. Там нет уровня жидкости для измерения и поддержания (как и для регулируемых клапанами свинцово-кислотных батарей). Нет ни “памяти " батареи, о которой нужно беспокоиться, ни необходимости периодически циклировать батареи для калибровки их времени работы. А их длительный срок службы-10 и более лет-снижает необходимость их замены в течение всего срока эксплуатации ИБП. К тому времени, когда батареи нуждаются в замене, вероятно, придет время заменить и ИБП. Включенная в комплект система управления батареями (BMS) автоматически собирает и сообщает все необходимые данные для точного понимания состояния и состояния аккумуляторной системы, что еще больше сокращает время технического обслуживания.

Нужно ли как-то принудительно охлаждать литий-ионные аккумуляторы, используемые в ИБП?

Как свинцово-кислотные, так и литий-ионные аккумуляторы будут страдают от высокой температуры. Однако, в целом срок службы литий-ионных аккумуляторов меньше зависит от более высоких температур, чем свинцово-кислотных. Многие литий-ионные аккумуляторы, используемые в ИБП, рассчитаны на более высокие средние температуры (например, 40°C/104°F). Для обоих типов батарей емкость (ампер-часы или "Ач") фактически увеличивается с повышением температуры окружающей среды, однако более высокие температуры могут ограничить доступное время работы этой батареи даже в пределах приемлемого рабочего диапазона, указанного производителем. Это случается редко и зависит от нескольких факторов, включая скорость разряда, возможности теплоотвода конкретной конструкции рассматриваемой батареи и, конечно же, температуру. В частности, при более высоких скоростях разряда аккумулятор может достичь своего термического предела и отключиться до того, как его доступная емкость будет фактически использована. Для большинства ИБП с литий-ионными АКБ не требуется дополнительного охлаждения для поддержания заданной долговечности, однако поддержание батареи при температуре (например, 25°C) может помочь добиться той надёжности, которая заложена производителем.

Как должны храниться литий-ионные аккумуляторы?

Хранение в прохладном месте замедляет процесс старения литий-ионных (и других химических) соединений. Производители рекомендуют температуру хранения 15°C. Кроме того, аккумулятор должен быть частично заряжен перед помещением на хранение. Многие производители рекомендуют 20% -40% уровень заряда.

Можно ли их менять «на горячую»?

Нет, литий-ионные аккумуляторы по своей природе не поддаются горячей замене. Это связано с их высокой чувствительностью к чрезмерному и недостаточному заряду (низкий импеданс).

Являются ли литий-ионные аккумуляторы экологически чистыми?

Есть много различных способов, которыми вы можете считать продукт более экологически чистым или нет, чем другой. Литий-ионные аккумуляторы не содержат опасных материалов, в то время как свинцово-кислотные аккумуляторы содержат их (например, свинец). Оба типа батарей пригодны для вторичной переработки, однако в настоящее время в большинстве регионов мира утилизировать свинец гораздо проще, чем более крупноформатные литий-ионные аккумуляторы, используемые в ИБП и электромобилях. Однако для получения полной картины воздействия на окружающую среду рассмотрим весь углеродный след в течение жизненного цикла батареи. Использование углерода накапливается на протяжении всего жизненного цикла продукта:

  • извлечение сырья
  • энергия для производства и транспортировки
  • рабочая энергия для поддержания заряда и охлаждения батарей
  • возможность вторичной переработки и воздействие на землю, когда пришло время утилизировать

Анализ показывает, что эксплуатационные потери (т. е. энергия, используемая для поддержания заряда батарей) на сегодняшний день являются доминирующей движущей силой углеродного следа ИБП и его аккумуляторной системы в течение 10-летнего жизненного цикла. Однако между этими двумя системами нет большой разницы в эксплуатационных потерях. Какой из них граничит с другим, зависит от фактического варианта использования. Литий-ионные аккумуляторы требуют меньше энергии для поддержания заряда, чем свинцово-кислотные. Цикл заряда литий-ионного аккумулятора эффективен на 90% по сравнению с 80-85% для свинцово-кислотного аккумулятора. Кроме того, свинцово-кислотные аккумуляторы саморазряжаются с большей скоростью, чем литий-ионные. Однако этот прирост эффективности компенсируется необходимостью использование у Li-ion системы управления батареями (BMS) для защиты от короткого замыкания и перезаряда, которая тоже потребляет энергию. Таким образом, общие операционные потери двух типов АКБ очень похожи между собой.

Учитывая, что литий-ионные аккумуляторы, содержащие безопасные для свалки материалы, подлежат вторичной переработке, а также то, что их срок службы в 2-3 раза больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, можно утверждать, что литий-ионные аккумуляторы “зеленее”. Однако обратите внимание, что процент переработки свинца из свинцово-кислотных батарей составляет 99%, причем более 90% отслуживших свой срок батарей отправляются в переработку.

Однако, в настоящее переработка литий-ионных аккумуляторов, особенно аккумуляторов более крупного формата (например, используемых в электромобилях и ИБП центров обработки данных), ещё не настолько развита.

Пригодны ли литий-ионные аккумуляторы для вторичной переработки?

Да, они пригодны для вторичной переработки. И есть много переработчиков, которые возьмут маленькие литий-ионные батареи. Однако на момент написания этой статьи большинство батарей меньшего формата просто собираются и затем отправляются на измельчение и сжигание, где некоторые материалы, используемые в производстве, могут быть восстановлены для последующего применения. Но всё же большая часть материала из литий-ионных АКБ попадает на свалки. С чисто финансовой точки зрения переработка литий-ионных аккумуляторов для повторного использования очень небольшого количества металлического лития и других более распространенных, но менее ценных металлов (алюминия, никеля и т. д.) не стоит затраченных усилий.

Продолжаются исследования, направленные на улучшение экономики переработки, и правительства начинают поощрять, в частности, или прямо требовать сбора и надлежащей переработки батареек. Утилизация литий-ионных аккумуляторов большего формата (то есть таких, которые используются для электромобилей и ИБП центров обработки данных) является более сложной задачей. На момент написания этой статьи существует несколько компаний, которые могут перерабатывать большие литий-ионные аккумуляторные системы. Рынок незрел. Пока ещё очень немногие из этих батарей выработали свой ресурс.

Есть ли какие-то особые ограничения для их транспортировки?

Да, правила варьируются в зависимости от региона, но хорошим руководством для понимания ограничений и требований к воздушным перевозкам является Международная ассоциация воздушного транспорта (IATA) и ее “правила перевозки опасных грузов” (DGR)7, которые описывают мандаты на воздушные перевозки по размеру, весу и количеству.

Помните, что аккумуляторы всех типов сталкиваются с определенными требованиями и ограничениями.

Нужна ли мне система управления батареей при использовании Li-ion?

Да, и он уже включен в каждую литий-ионную аккумуляторную систему. Как уже говорилось, литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке, короткому замыканию и слишком большому разряду. Система управления постоянно контролирует каждый элемент батареи и управляет системой зарядки, чтобы гарантировать, что эти условия не возникают или не приводят к повреждению или перегреву.

В случае, если вы проектируете систему бесперебойного питания с использованием литий-ионных ячеек без BMS, вы должны установить такую систему отдельно.

Как соотносится время перезарядки со свинцово-кислотными батареями?

Время зарядки в ИБП определяется не столько аккумулятором, сколько мощностью выпрямителя, поэтому время достижения 80% -ного состояния заряда (SOC) будет более или менее одинаково для обоих типов батарей. Но на то чтобы перейти от 80% до 100%-го состояния заряда, у литий-ионного аккумулятора уходит меньше времени.

В случае, если мы не ограничены мощностью зарядного устройства ИБП, конечно литий-ионный аккумулятор гораздо лучше: он достигнет 100% заряда за 30-60 минут, и это будет на 5-10 часов меньше, чем в случае с VRLA батареей той же ёмкости.

Заключение

Технология литий-ионных аккумуляторов эволюционировала так, что они теперь жизнеспособны и безопасны для использования в крупных устройствах, таких как электромобили и ИБП центров обработки данных. Их уникальная химия и упаковка ячеек дают преимущества по сравнению с более традиционными альтернативами батарей. В случае применения ИБП литий-ионные батареи меньше, легче, заряжаются быстрее и имеют вдвое или более длительный календарный срок службы, чем свинцово-кислотные батареи, доминирующая технология хранения энергии, используемая сегодня в резервном копировании батарей.

Li-ion, возможно, является более экологичным решением. И, возможно, удивительно, учитывая более высокую стоимость приобретения, имеет более низкую общую стоимость владения (TCO).

Рон Амадео
07/07.2020


Комментарии

Похожие статьи:

Эпичный хостинг: изучаем как AMD меняет рынок VDS-хостинга на примере компании VDSina.ru

Сегодня хостеры могут размещать до 1024 виртуалок на одной машине, что позволяет им демпинговать, наращивая клиентскую базу в условиях жёсткой конкуренции. Мы выясним, почему 64-ядерные процессоры AMD EPYC лежат в основе нового в

Новая схема адресации памяти в IBM Power10 изменит взгляд на ИИ приложения

А что, если существует новый вид рабочей нагрузки, и я хочу собрать гораздо больше памяти, чем вы можете себе вообразить? Что, если я хочу, чтобы один компьютер адресовал петабайт памяти? Но сегодня никто не знает, как построить та

Что такое NVME-oF? И как работает самый быстрый протокол данных?

В последние годы мы наблюдаем рост производительности технологий хранения данных, которая, в конечном счете, достигла физических пределов, обусловленных устаревшими протоколами обмена данными в дата-центрах. Несмотря на использован

Обзор мультигигабитных коммутаторов Zyxel XGS1210-12 и XGS1010-12 со скоростью 1/2.5/10 Гбит/с

Ну вот и пришло время более-менее доступных по цене коммутаторов для 2.5-гигабитных сетей с медным кабелем и 10G на оптике. В этой модели даже 1-гигабитные порты проброшены на общую матрицу, из-за чего даже на маленьких пакетах удерживается высока

Эволюция киберугроз в OT-средах

В этом году исполняется 10 лет со дня обнаружения Stuxnet. Вредоносный компьютерный червь попал в заголовки по той причине, что целился в системы диспетчерского контроля и сбора данных. С того времени, во всем мире было зафиксирова