De ce se se distruge bateria de acumulatori?

* Cum se defecteaza si mai ales de ce ... *

 articol creat de Florin Fleseriu  

      Am publicat acest articol pentru a condensa intr-o singura pagina toate problemele tehnice care apar in utilizarea bateriei de acumulatori in sistemele cu energie solara, eoliana si hidro. Sper ca in cadrul acestui articol sa clarific elementele esentiale care duc la defectiuni premature a acestor baterii de acumulatori. 

Probabil v-ati intrebat  de multe ori de ce ”cad” acumulatorii?.... de ce se distrug bateriile ?.... de ce “pierdem” uneori aceste componente destul de scumpe integrate  in aplicatile cu energie alternativa?  Raspunsul este unul complex si va fi tratat in randurile de mai jos, In cadrul ingineriei aplicate sistemelor si aplicatilor cu energie solara , eoliana si  hidro, intelegerea modului de functionare a acumulatorilor este esentiala.  Bateriile avand o chimie diferita se pot defecta in multe moduri, iar cauzele pot fi multiple.

Acumulatori deep-cycle (cu descarcare adanca) 

    Locatia pentru a începe aceasta analiza este de la proiectarea celulei in sine.  Defectele de proiectare ale  celulelor, cum ar fi proiectarea mecanică slabă, capsulari  inadecvate, materiale de calitate slabă și toleranțele specificate în mod necorespunzător poate fi responsabilă pentru multe eșecuri posibile.  Acestea sunt des intalnite la producatori „noname” sau fabricate in zone exotice. Ce se poate face in aceste situatii este testarea accelerata a duratei  de viata pe celule de probă pentru a verifica dacă acestea îndeplinesc cerințele dorite de fiabilitate pentru utilizarea lor in situatile propuse.  Înainte de utilizarea unor noi grupe de  acumulatori, pentru sistemele cu energie alternativa ( solara, eoliana si hidro)  Ecovolt efectueaza  teste de calificare aprofundată pentru a identifica orice deficiențe. Dacă nu aveți echipamentul necesar pentru a efectua aceste teste putem noi sa le realizam pentru dvs.  

    Evenimentele negative sunt mai puțin probabil să apara într-o instalație de fabricatie automată mare, cu un nume de brand bine cunoscut, dar dacă sunteți în căutarea unui producător de celule low-cost trebuie să fiti conștienți de faptul că zona de calitate este afectata de reduceri semnificative pentru a atinge obiectivele de cost. In aceste cazuri trebuie  să urmăriți :
  

    Metodele manuale de producție.

   Este foarte dificil daca nu imposibil, să poata fi atinse in practica precizia și repetabilitatea folosind metode manuale de asamblare și a lipsei de precizie înseamnă circuite potențiale scurt, scurgeri, conexiuni nesigure și contaminare. Acest lucru nu se aplică doar să susțină operațiunile de stradă cu ajutorul forței de muncă low-cost..

  • Probleme de Manipularea, cum ar fi zgârieturi sau strivire a electrodului sub-asamblare.

  • Componentele cu  toleranță mare pot crea probleme similare și cu ansamblul imprecis menționat mai sus.

  • Bavurile pe foliile de electrozi colectori actuale dă naștere la scurtcircuite.

  • Golurile reduce mult capacitatea celulelor, crește impedanța și împiedică disiparea căldurii.

  • Contaminarea din substanțele chimice active, dă naștere unor efecte nedorite chimice, care ar putea duce la diferite forme de defectiuni, cum ar fi presiunea de supraîncălzire, capacitate redusă, cresterea curentului de descărcare in gol.

  • Resturi rămase în materialele carcasei.

  • Controlul slab al morfologiei particulelor la fabricarea electrodului. Dimensiunea particulelor trebuie să fie foarte mica și distribuita uniform pentru a realiza celule de putere.

   Procesul de sub control.

   Un exemplu tipic sunt grosimi variabile de substanțe chimice active pe electrozii. Încă o dată rezultatele ar putea afecta capacitatea celulelor, impedanța și procesul de descărcare adanca.

  • Utilizarea de materiale inadecvate. Acest lucru nu este neapărat evident, dar cu siguranță se întâmplă. Testele efectuate pe probe pot fi necesare pentru a verifica acest lucru.

  • sudură / etanșare de slaba calitate . Acest lucru poate duce la conexiuni slabe, nedemne de încredere și de căldură localizate construi.

  • deficiențe mecanice. În celule mai mici problema cel mai probabil va fi scurgeri de electrolit. Celulele mai mari vor fi mai predispuse la fisuri sau de divizare, care cauzează de asemenea scurgeri, sau denaturarea ceea ce înseamnă că celulele nu se poate încadra în incinta concepute pentru ei.

  • Rezultatele slabe de etanșare din scurgeri și pierderi de substanțe chimice active sau pătrunderea apei, probleme de coroziune și potențialul de siguranță.

  • Sistemele de calitate și de management al calității.

Performanța bateriei scade treptat si se deteriorează cu timpul din cauza unor reacții chimice nedorite și modificările fizice ale substanțelor chimice active.  Acest proces nu este, în general, reversibil  în cele din urmă și rezultatele duc în final la pierderea bateriei. Următoarele informatii sunt câteva exemple:

• Coroziunea consumă o parte din substanțele chimice active din celula duce la impedanță sporită și pierderea de capacitate

• Pierderea chimică prin evaporare. Produsele gazoase rezultate de la procesul incarcare/descarcare,  sunt pierdute în atmosferă si provoacă pierderea de capacitate.

• Modificarea caracteristicilor fizice (morfologia) ale substanțelor chimice de lucru:

- Formarea Cristalelor. Odata cu trecerea timpului structura de cristal se modifica la schimbările de suprafață de electrozilor si  se formează strucuturi din cristale mari. Aceasta reduce zona efectivă a electrozilor și, prin urmare, suportarea lor actuală și capacitate de stocare a energiei.

- Creșterea formatiunilor dendritice. Aceasta inseamna de fapt formarea de cristale mici sau structuri netede în jurul electrozilor,  în ceea ce ar trebui să fie o soluție apoasă. Inițial aceste dendrite pot determina o creștere a capacitatii de descarcare dar in cele din urmă dendritele poate strapunge separatorul cauzând un scurt-circuit.

• Pasivizarea. Acesta este un strat rezistiv, care se formeaza pe electrozi si care împiedică acțiunea chimică a celulei.

• Celule scurtcircuitate. Celule care au fost marginal acceptabile atunci când bateria este nouă si care ar fi continut vicii ascunse, care devin evidente numai ca procesul de imbatranire. Acest lucru poate aparea in construcția de celule low-cost.

Conditii de mediu necontrolate in exploatare 

Bateriile bune nu sunt imune la defectiuni  care pot fi provocate de modul în care sunt utilizate sau abuzate.

Temperatura de lucru a  celulei este criminalul principal și acest lucru poate fi determinat  în următoarele situații.

• Proiectarea defectuoasa a sistemului de acumulare

• Tipul de celula ales in sistem este nepotrivit pentru aplicatia respectiva

• Modul  de încărcare/descarcare  nepotrivit si decis incorect in dimensionarea bateriei de acumulatori

• Supraîncărcarea

• Condițiile de mediu.  Temperaturi ridicate ambiantale. Lipsa de răcire.

• Temperatura mare de depozitare a acumulatorilor

• Deteriorarea fizică este, de asemenea, un factor care contribuie

Cele mai multe dintre aceste condiții duce la supraîncălzirea celulei, care este ceea ce ucide în cele din urmă bateria de acumulatori.

Actiuni abuzive de exploatare a bateriei de acumulatori 

Abuz nu înseamnă doar abuzul fizic deliberat sau nu, de către utilizatorul final.  Acesta poate fi de asemenea abuzul accidental care ar putea fi inevitabil daca sistemul nu a fost proiectat corect.  Acest lucru poate include lovire sau cadere, zdrobire, penetrare, impactul, imersiune în lichide, congelare sau contact cu focul, oricare din evenimentele de abuz mecanic  care ar putea să apară la o baterie. Este general acceptat faptul că bateria ar putea să nu supraviețuiască in toate aceste situatii, cu toate acestea bateria nu ar trebui să se provoace un pericol sporit sau o problemă de siguranță în aceste circumstanțe.

Factori Externi

Aparitia unei defectiuni sau defectarea  bateriei de acumulatori poate să nu fie neapărat din cauze naturale sau abuzul  utilizatorului.  Acestea ar putea fi cauzate de disfunctionalitati  în sistemele solare, eoliene si hidro, dar  si cauzata de o  instalare eronata. Bateriile utilizate în aplicații ar putea fi supuse la o varietate de probleme, oricare din ele ar putea distruge bateria de acumulatori. De exemplu :

• O eroare a senzorului de temperatura

• Defectarea controlului circuitului  de incarcare

• Defectiune la Ventilator

• Defectiune care genereaza pierdere de lichid

• Pierderea interfetei de comunicare

• Disfunctionalitate redresor de încărcare sau regulatoare (supraîncărcarea)

Pentru a identifica cauza eșecului trebuie efectuata o analiza de catre personal specializat si experimentat.

Substanțe chimice active epuizate

In celulele primare ale unui acumulator, acest lucru este clasificat ca fiind un defect estimat , deoarece acest lucru este de așteptat, dar in elementele secundare ne asteptam ca substantele chimice active care urmează să fie restaurate prin reîncărcare. După cum am menționat si mai sus, îmbătrânirea va provoca epuizarea treptată a masei active, iar in unele baterii nu putem intervenii pentru a restabilii functionalitatea ei.

Modificarea în structura moleculară sau fizică a electrozilor

Chiar dacă compoziția chimică a substanțelor chimice active,  pot rămâne neschimbate, schimbări în morfologia lor pot avea loc odata cu imbatranirea celulelo. Reactile chimice care se formeza intr-un acumulator, în cele din urmă duc la epuizarea ei, făcând bateria inutilizabila.

Stratificarea electrolitului

Supraîncălzirea sau supra-tensiune poate provoca stratificarea chimica a electrolitului.

Placarea electrodului intern

In celulele litiu, funcționare cu temperatură scăzută sau supra-curent în timpul încărcării poate provoca depunere de metal litiu pe anod duce la pierderea capacității ireversibile și, eventual, un scurt-circuit.

Creșterea internă de impedanță

Impedanta internă a celulei tinde să crească cu vârsta si apare tendinta de a forma cristale, reducând suprafața efectivă a electrozilor.

Capacitatea redusă

Aceasta este o altă consecință a îmbătrânirii celulelor și creșterea depunerilor de cristale in placi. In aceasta situatie bateria este recuperabilă uneori, prin recondiționarea celulelor efectuand una sau mai multe descarcari  adânci urmata de egalizare.

Creșterea curentului de autodescărcare

Structura de cristal si schimbarea componentei substanțelor chimice active, asa cum am subliniat mai sus, poate provoca ca electrozii sa puna presiune mai mare pe separator, iar ca o consecință directa apare creșterea curentului de descărcare a celulei. Ca și în toate reacțiile chimice aceasta creste odata cu temperatura. Din păcate, aceste schimbări  sunt de obicei ireversibile.

Eliminarea de Gaze

Eliminarea de gaze sunt cauzate în general de  supra încărcare.  Acest lucru duce la pierderea de substanțe chimice active, dar în multe cazuri acest lucru poate fi, de asemenea  periculos. În unele celule, gazele eliberate pot fi explozive. Celulele cu Plumb - acid de exemplu, degaja oxigen și hidrogen atunci când sunt supraîncărcate.

Eliberarea de gaze și extinderea substanțelor chimice din cauza temperaturilor ridicate, duce la acumularea de presiune în celulă și acest lucru poate fi periculos după cum sa menționat mai sus. In celulele sigilate ar putea duce la ruperea sau explozia celulei ca urmare a presiunii care apare in interior, cu excepția cazului în celula are un orificiu de evacuare, pentru a permite evadarea a gazelor. Presiunea dezvoltata de aparitia bulelor de gaz,  poate provoca scurtcircuite datorate penetrarii  separatorului și acest lucru este mai mult o problemă în celule cilindrice (tubulare) , pentru ca au tendința de a rezista la deformare sub presiune in raport cu celule prismatice care atenuează efectul de presiune oarecum.

Fisurarea si spargerea separatorului

Scurt circuitele pe acumulatori sau celule de acumulatori , poate fi cauzată de fisurarea sau spargerea separatorului prin cresterea dendritei separatorul cauza, contaminare, bavuri pe electrozii sau de diminuarea separatorului in timpul si din  cauza supraîncălzirii bateriei.

Supraîncălzirea

Supraîncălzirea este întotdeauna o problemă și este un factor care contribuie la aproape toate caderile celulelor din acumulatori. Ea are multe cauze si poate duce la schimbări ireversibile ale substanțelor chimice utilizate în celule, emisii de gaze, deformarea  materialelor, umflarea și o denaturare a carcasei celulei. Prevenirea unei celule de supraîncălzire este cel mai bun mod de prelungire a vieții sale.

Actiunea distructivă a temperaturii

Rata la care recatile chimice se dubleaza este pentru fiecare 10 ° C crestere a temperaturii celulei. Flux de curent printr-o celulă determină temperatura să crească. Așa cum temperatura creste viteza de acțiune electro-chimica, în același timp impedanța celulei scade si duce la temperaturi și mai ridicate sub actiunea curenților mar.  Acesti factori ar putea duce în cele din urmă la distrugerea celulelor din baterie cu excepția cazului cand sunt luate măsuri de precauție prin instalararea de senzori termici care pot influenta sistemul de incarcare a regulatoarelor si redresoarelor din cadrul sistemelor cu energie alternativa. După cum se menționează mai sus, totuși procesul de îmbătrânire va provoca epuizarea treptată a masei active, iar acumculatorul va trebui inlocuit.

Schimbare in structura moleculara sau fizică a electrozilor

Chiar dacă compoziția chimică a substanțelor chimice active pot rămâne neschimbate, schimbări în morfologia electrozilor care au loc odata cu varsta, pot împiedica acțiunile chimice din acumulator, conducând în cele din urmă la ditrugerea acumulatorilor.

Separarea electrolitului

Supraîncălzirea sau supra-tensiunea poate provoca descompunerea chimică a electrolitului.

„Placarea” electrodului

În celulele litiu, actiunea de încărcare la temperatură scăzută sau supra-curent poate provoca depunere de metal litiu pe anod si duce la pierderea capacității ireversibile și eventual un scurtcircuit.

Creșterea impedanței interne

Impedanta celulei interne din acumulator  tinde să crească cu vârsta ca urmarea a formarii  cristale, reducând suprafața efectivă a electrozilor.

Scaderea capacitatii

Aceasta este o altă consecință a îmbătrânirii celulelor și creșterea zonelor cu depuneri de cristale. Este uneori recuperabilă, prin recondiționarea celulelor si prin supunerea celulelor la una sau mai multe descarcări adânci.

Creșterea curentilor de autodescărcare

Structura de cristal si schimbarea substanțelor chimice active, poate provoca deformarea electrozilor, inducand o presiune mai mare pe separator . Ca o consecință apare imediat creșterea curentilor de autodescarcare a celulei.  La fel ca și în toate reacțiile chimice, acest curent creste cu temperatura.  Din păcate, aceste schimbări sunt de obicei ireversibile. 

Eliminarea de gaze

Eliminarea de gaze este  în general cauzata de supra încărcare. Acest lucru duce la pierderea de substanțe chimice active, dar în multe cazuri acest lucru poate fi, de asemenea  periculos.  În unele celule o parte din gazele eliberate pot fi explozive. Celulele cu plumb - acid de exemplu, degaja oxigen și hidrogen atunci când sunt supraîncărcate.

Eliminarea de gaze și extinderea substanțelor chimice din cauza temperaturilor ridicate duce la acumularea de presiuni  în celulă și acest lucru poate fi periculos după cum sa menționat mai sus. In celulele sigilate ar putea duce la ruperea sau explozia celulei ca urmare a presiunii construi cu excepția cazului în celula are un orificiu de presiune, pentru a permite evadarea a gazelor ( Acumulatori VRLA). Presiunea poate provoca scurtcircuite datorate factorului de penetrare a separatorului și acest lucru este o problemă în celule cilindrice, care au tendința de a rezista la deformare sub presiune in  raport cu celule prismatice ale căror cazuri atenuează efectul de presiune oarecum.

Cauza spargerii separatorului

Scurt circuitul poate fi o cauzată de crestere a dendritei pe separatorul in cauza, bavuri pe electrozi din fabricatie sau deformarea  separatorului din cauza supraîncălzirii.

Deformarea mecanica ( „Umflarea” bateriei )

Unele celule sunt predispuse la umflarea din cauza supraîncălzirii.  Acest lucru este valabil în special la celulele cu  husă din litiu-polimer.  Acest fenomen duce la pierderea de capacitate de stocare ca urmare a contactului dintre particulele conductoare din interiorul celulei.

Supraîncălzirea

Supraîncălzirea este întotdeauna o problemă și este un factor care contribuie la aproape toate distrugerile de celule din interiorului unui acumulator. Ea are multe cauze si poate duce la schimbări ireversibile ale substanțelor chimice utilizate în baterii, eliminare de gaze, deformarea prin expandare a materialelor, umflarea și o denaturare a carcasei bateriei.  Prevenirea situatilor de supraîncălzire este cel mai bun mod de prelungire a vieții acumulatorului.

Ambalarea termica

Rata la care reactile chimice se dubleaza este obtinuta pentru fiecare crestere de 10 ° C a temperaturii. Fluxul de curent printr-o celulă determină temperatura să crească.  Pe măsură ce temperatura crește vitezele de acțiune electro-chimice cresc și în același timp impedanța celulei este redusă ducand  la curenți mai mari și temperaturi și mai ridicate, care ar putea duce la distrugerea celulelor dacă nu se iau măsuri de precauție.

Mecanismele care stau in spatele problemelor menționate mai sus nu conduc  întotdeauna la distrugerea imediată și completă a bateriei. Aceasta distrugere va fi de multe ori precedata de o deteriorare a performanței, iar acest lucru se manifestata prin capacitatea redusă, creșterea impedanței interne și curentilor de autodescărcare sau supraîncălzire. Dacă o celulă degradata continuă sa fie mentinuta în utilizare, va aparea o crestere a căldurii celulei care poate duce reducerea și mai mult a capacitatea efective de lucru a acumulatorului.  Măsurarea stării de sănătate a celulelor poate oferi o avertizare în avans de caderea iminentă a unei celule.

Există mai multe moduri de caderi posibile asociate acumulatorilor, dar acest eveniment nu este întotdeauna posibil să fie prevazut cand va avea loc. Depinde de foarte mult de circumstanțe.

• Lasarea acumulatorului in gol  - Acesta este un mod sigur de prevenirea deteriorarii. Odată ce calea de curent este redusa, iar bateria este izolata, posibilitatea de deteriorare în continuare a bateriei este limitată.  Acest lucru nu se potriveste cu modul in care doreste sa o utilizeze beneficiarul. Dacă o baterie este lasata in gol ( circuit deschis ), atunci întreaga bateria va iesii din functiune.  Deci practic suntem in imposibilitatea de a utiliza bateria in sistem.

• Scurtcircuit - Dacă pe o singura celulă a unui lanț din baterie apare un scurt-circuit, restul de celulelor ramase  pot fi ușor supraîncărcate, dar bateria va continua să ofere puterea de a sarcinii sale. Acest lucru poate fi important în situații de urgență.  Aparitia scurtcircuitelor poate fi generata de cauze externe sau interne în cadrul celulei. Sistemul de management al bateriei (BMS), ar trebui să poată proteja celula de cauze externe, dar BMS nu poate proteja celula de la un scurt-circuit intern.

• Explozie - Acest lucru trebuie să fie evitat cu orice preț, iar bateria trebuie să includă circuite de protecție sau dispozitive pentru a preveni această situație.

• Foc - Aceasta este un fenomen grav de asemenea, iar asa cum e descris mai sus bateria trebuie protejata de această posibilitate.

Alarme false

Ocazional puteți descoperii că un defect aparent în baterie este de fapt un defect extern celulelor.  Acest defect ar putea fi gasit  în încărcătorul solar, redresor sau în circuitele de protecție. Aceasta se poate întâmpla atunci când un "regulator solar perfect functional", este în imposibilitatea de a încărca bateria. Este posibil ca acest lucru sa fie cauzat de o nepotrivire în setările limitelor de protecție între baterie regulatorsau de o programare incorecta efectuata la punerea in functiune.  Regulatoarele neprogramabile pot  in general sa duca la cauze de deterioarea a bateriei de acumulatori.  De asemenea este posibil ca o defecțiune al circuitului de protecție sa conduca la o descarcare a acumulatorului.  Prin urmare posibilitatea de aparitie a defecțiunilor din cauze externe ar trebui să fie verificată înainte de a decide ca o baterie este „slaba” sau defecta.

Proiectarea corecta a aplicației

Primul pas este acela de a ne asigura că bateria de acumulatori aleasa este adecvata pentru aplicatia noastra. Proiectarea modului de functionare si alegerea corecta a acumulatorului este esentiala pentru succesul sistemului

Calificarea si performanta recunoscuta a furnizorului

Al doilea pas este de a selecta un furnizor de acumulatori recunoscut de piata si cu o experienta mare,  pentru a oferi un produs de încredere în condiții de siguranță.  Vom descoperii foarte usor acesti fabricanti prin faputul ca au in general cele mai performante baterii si un pret ridicat al acumulatorilor in comparatie cu alti producatori.  Fabricantii Hoppecke si Exide Tehnologies sunt cei doi lideri recunoscuti de piata acumulatorilor deep-cycle.

Performanta acumulatorilor

Următorul pas este de a verifica daca bateria de acumulatori aleasa îndeplineste specificațiile dorite sub orice condiție prevăzută de utilizare și dacă dispozitivele de siguranță incorporate  funcționeza corect.

Protecția circuitelor

Odata cu bateria au fost alese si circuitele auxiliare electronice. Cele mai importante dintre acestea sunt circuitele de siguranță care să garanteze faptul că celulele sunt menținute în cadrul de temperatura specificat de operare, curentul de incarcare și limitele de tensiune.  Acest lucru ar trebui să fie  inclus in caietul de sarcini al regulatorului.

Prevenirea problemelor -  Opinii de proiectare

Procesul de proiectare pentru nouă o tehnologie ar baterieie ar putea dura până la 10 ani sau mai mult.  Va recomandam sa utilizati in sisteme acumulatori care au o mare vechime in fluxul de productie a fabricantului.

Verificari periodice

Solicitati periodic personanului cu experienta si expertiza in utilizarea acumulatorilor, teste de capacitate si teste de functionarea a acumulatorilor. Aceste teste pot prevenii probleme care pot duce la o deteriorare completa a bateriei de acumulatori.