Lange erreichen

Dec 21, 2023

Lithiumbatterien mit extrem langer Lebensdauer versorgen entfernte drahtlose Geräte im gesamten IIoT mit Strom, wobei bestimmte Zellen eine Betriebsdauer von bis zu 40 Jahren haben. Diese Funktion erschien ursprünglich in der IIoT & Industrie 4.0-Ausgabe von Automation 2023.

Batterien mit längerer Lebensdauer sind für Remote-Wireless-Geräte, die im gesamten IIoT eingesetzt werden, unerlässlich und bieten einen erheblichen Kostenvorteil, da die Notwendigkeit eines Batteriewechsels reduziert oder ganz eliminiert wird. Der Einsatz einer Batterie mit extrem langer Lebensdauer kann zu erheblichen Kosteneinsparungen bei drahtlosen Remote-Anwendungen führen, da die Arbeitskosten für den Batteriewechsel entfallen, die unweigerlich die Kosten der Batterie selbst übersteigen. Dieser geldsparende Vorteil ist besonders wichtig für entfernte drahtlose Geräte, die an abgelegenen Standorten und in rauen Umgebungen eingesetzt werden, wo der Zugriff auf die Batterie äußerst kostenintensiv und manchmal unmöglich sein kann.

Es gibt zwei Arten von Geräten mit geringem Stromverbrauch. Die überwiegende Mehrheit dieser Geräte arbeitet größtenteils im „Standby“-Zustand und verbraucht einen durchschnittlichen Strom, der in Mikroampere messbar ist, mit Impulsen im Multiampere-Bereich, um die bidirektionale drahtlose Kommunikation zu betreiben. Diese Anwendungen basieren im Allgemeinen auf primären (nicht wiederaufladbaren) Lithiumbatterien in Industriequalität, insbesondere wenn der Batteriezugriff begrenzt ist oder in rauen Umgebungen. Wenn die Batterie für den Austausch leicht zugänglich ist und in einem moderaten Temperaturbereich arbeitet, könnten Verbraucherbatterien als wirtschaftlichere Lösung in Betracht gezogen werden. Es gibt auch bestimmte Nischenanwendungen, die durchschnittliche Energie in Milliampere mit Impulsen im Multi-Ampere-Bereich verbrauchen. Amperebereich, der durchschnittlich genug Energie verbraucht, um die Betriebslebensdauer einer Primärbatterie zu verkürzen. Diese Anwendungen mit höherem Stromverbrauch erfordern möglicherweise den Einsatz eines Energiegewinnungsgeräts in Verbindung mit einer wiederaufladbaren Lithiumionenbatterie (Li-Ion), um die gewonnene Energie zu speichern. Mittlerweile sind Li-Ionen-Batterien in Industriequalität erhältlich, die bis zu 20 Jahre lang betrieben werden können. Es stehen zahlreiche Arten primärer (nicht wiederaufladbarer) Chemikalien zur Verfügung, die jeweils einzigartige Leistungsvorteile und Kompromisse bieten. Zu diesen Chemikalien gehören Alkali, Eisendisulfat (LiFeS2), Lithiummangandioxid (LiMnO2), Lithiumthionylchlorid (LiSOCl2) und Lithiummetalloxid (Tabelle 1). Tabelle 1: LiSOCl2-Batterien vom Spulentyp werden für den Einsatz in drahtlosen Fernsteuerungen bevorzugt Anwendungen. Diese Zellen bieten eine höhere Kapazität und Energiedichte, eine Betriebslebensdauer von bis zu 40 Jahren und den größtmöglichen Temperaturbereich, was ideal für schwer zugängliche Standorte und extreme Umgebungen ist. Zu diesen Primärchemikalien gehört LiSOCl2 vom Spulentyp (Abbildung 2) wird aufgrund seiner höheren Kapazität und Energiedichte, seines größeren Temperaturbereichs und einer unglaublich niedrigen jährlichen Selbstentladungsrate von weniger als 1 % pro Jahr für bestimmte Zellen überwiegend für Langzeiteinsätze an abgelegenen Standorten bevorzugt.

Mit IIoT verbundene Geräte nutzen bidirektionale drahtlose Kommunikation und erfordern daher spezielle Energieverwaltungslösungen. Um die Batterielebensdauer zu maximieren, müssen diese Geräte so konstruiert sein, dass sie durch den Einsatz verschiedener Energiespartechniken Energie sparen, darunter die Verwendung eines Kommunikationsprotokolls mit geringem Stromverbrauch (WirelessHART, ZigBee, LoRa usw.), Chipsätze mit geringem Stromverbrauch und proprietäre Techniken zur Minimierung des Energieverbrauchs, wenn sich das Gerät im „aktiven“ Modus befindet. Obwohl diese energiesparenden Techniken äußerst nützlich sind, werden sie oft durch die Energieverluste, die mit der jährlichen Selbstentladung einhergehen, in den Schatten gestellt. Selbstentladung ist bei allen Batterien üblich, da chemische Reaktionen auch dann stattfinden, wenn eine Zelle abgeklemmt ist oder gelagert wird. Die jährliche Selbstentladungsrate einer Batterie kann je nach Chemie, dem Design der Zelle, dem aktuellen Entladepotential, der Qualität und Reinheit der Rohstoffe und vor allem der Fähigkeit, den Passivierungseffekt zu nutzen, erheblich variieren. Einzigartig bei Bei LiSOCl2-Batterien wird bei der Passivierung ein dünner Film aus Lithiumchlorid (LiCl) gebildet, der sich auf der Oberfläche der Lithiumanode bildet, um die Reaktivität bei Nichtgebrauch zu begrenzen. LiSOCl2-Zellen können auf zwei Arten aufgebaut werden: Zellen vom Spulenkörpertyp weisen eine geringere reaktive Oberfläche auf, was ideal ist, um die Selbstentladung zu reduzieren. Allerdings besteht der Nachteil darin, dass es nicht möglich ist, Hochgeschwindigkeitsenergie zu liefern. LiSOCl2-Batterien können auch mit einer spiralförmig gewickelten Konstruktion hergestellt werden, die eine höhere Energieflussrate ermöglicht, mit dem Nachteil einer kürzeren Betriebsdauer aufgrund einer höheren Selbstentladung. Immer wenn eine Last auf die Zelle ausgeübt wird, verursacht die Passivierungsschicht eine Initialzündung hoher Widerstand und ein vorübergehender Spannungsabfall, bis die Entladungsreaktion beginnt, die LiCl-Schicht aufzulösen, ein Vorgang, der sich jedes Mal wiederholt, wenn die Last entfernt wird. Die Fähigkeit der Zelle, den Passivierungseffekt zu nutzen, kann durch ihre aktuelle Kapazität beeinflusst werden; Dauer der Lagerung; Lagertemperatur; Entladungstemperatur; und frühere Entladungsbedingungen, da das Entfernen der Last von einer teilweise entladenen Zelle den Grad der Passivierung im Vergleich zum Neuzustand erhöht. Erfahrene Batteriehersteller können den Passivierungseffekt durch die Verwendung hochwertigerer Rohstoffe und den Einsatz proprietärer Herstellungstechniken optimieren. Während die Passivierung einen großen Beitrag zur Reduzierung der jährlichen Selbstentladungsrate leisten kann, muss dieser Prozess sorgfältig genutzt werden, um eine übermäßige Einschränkung des Energieflusses zu vermeiden.

Während sich Standard-LiSOCl2-Zellen mit Spulenkörper ideal für die Nutzung des Passivierungseffekts eignen, sind sie aufgrund ihres Designs mit niedriger Rate nicht in der Lage, die hohen Impulse zu erzeugen, die für eine bidirektionale drahtlose Kommunikation erforderlich sind. Diese Herausforderung kann mit einer Hybridlösung gemeistert werden, bei der die standardmäßige LiSOCl2-Zelle mit Spulenkörper zur Bereitstellung eines Hintergrundstroms mit niedrigem Pegel verwendet wird, während sie durch einen Hybridschichtkondensator (HLC) ergänzt wird, der hohe Impulse speichert und liefert (Abbildung 3).

Zwischen scheinbar identischen LiSOCl2-Zellen vom Spulentyp können große Unterschiede bestehen. Beispielsweise kann eine hochwertige LiSOCl2-Batterie mit Spulenkörper eine Selbstentladungsrate von nur 0,7 % pro Jahr aufweisen und nach 40 Jahren noch 70 % ihrer ursprünglichen Kapazität behalten. Im Gegensatz dazu kann eine Zelle minderer Qualität eine höhere Selbstentladungsrate von bis zu 3 % pro Jahr aufweisen und alle 10 Jahre 30 % ihrer Kapazität verlieren, sodass eine Batterielebensdauer von 40 Jahren unerreichbar wird. Die Wahl der idealen Batterie kann schwierig sein Dies liegt zum Teil daran, dass es Jahre dauern kann, bis die jährlichen Energieverluste, die mit einer höheren Selbstentladung einhergehen, vollständig sichtbar werden, und dass die Vorhersagemodelle zur Schätzung der erwarteten Batterielebensdauer dazu neigen, den Passivierungseffekt sowie die Auswirkungen einer langfristigen Einwirkung extremer Temperaturen zu unterschätzen. Es stehen verschiedene Testverfahren zur Verfügung, um die erwartete Batterielebensdauer abzuschätzen. Die beste Quelle sind historische Testdaten von Zellen, die im Feldeinsatz verwendet werden. Wenn eine längere Batterielebensdauer für die Maximierung Ihres Return on Investment (ROI) unerlässlich ist, lohnt es sich, einige zusätzliche Tests durchzuführen Due Diligence durch die Anforderung vollständig dokumentierter Langzeittestergebnisse sowie historischer Feldtestdaten mit vergleichbaren Geräten unter ähnlichen Belastungen und Umgebungsbedingungen. Wenn Sie bei der Bewertung konkurrierender Batterien sorgfältiger vorgehen, können Sie langfristig erhebliche Einsparungen erzielen, indem Sie die Zuverlässigkeit und Lebensdauer Ihres Geräts erhöhen. Diese Funktion erschien ursprünglich in der IIoT & Industry 4.0-Ausgabe von Automation 2023.

Sol Jacobs ist Vizepräsident und General Manager von Tadiran Batteries. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Stromversorgung von Remote-Geräten. Sein Bildungshintergrund umfasst einen BS in Ingenieurwissenschaften und einen MBA.

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