Alcançando Longo

Dec 21, 2023

Baterias de lítio de duração ultralonga alimentam dispositivos sem fio remotos em toda a IIoT, com algumas células operando por até 40 anos. Esse recurso apareceu originalmente na edição IIoT & Industry 4.0 da Automation 2023.

Baterias de longa duração são essenciais para dispositivos sem fio remotos utilizados em toda a IIoT, proporcionando um grande benefício de custo ao reduzir ou eliminar a necessidade de substituição de baterias. O uso de uma bateria de vida ultralonga pode se traduzir em economia significativa de custos para aplicativos sem fio remotos, eliminando as despesas de mão-de-obra relacionadas à substituição da bateria, que invariavelmente excede o custo da própria bateria. Esse benefício de economia de dinheiro é especialmente importante para dispositivos sem fio remotos sendo implantados em locais remotos e ambientes hostis, onde o acesso à bateria pode ser altamente proibitivo e às vezes impossível.

Existem dois tipos de dispositivos de baixa potência. A grande maioria desses dispositivos opera principalmente em um estado "stand-by" e extrai corrente média mensurável em micro-amps com pulsos na faixa de multi-amps para alimentar comunicações sem fio bidirecionais. Essas aplicações geralmente dependem de baterias de lítio primárias (não recarregáveis) de nível industrial, especialmente quando o acesso à bateria é limitado ou em ambientes agressivos. Se a bateria for facilmente acessível para substituição e operar dentro de uma faixa de temperatura moderada, as baterias de consumo podem ser consideradas uma solução mais econômica. faixa de amp, consumindo energia média suficiente para encurtar a vida operacional de uma bateria primária. Essas aplicações de maior consumo podem exigir o uso de um dispositivo de coleta de energia em conjunto com uma bateria recarregável de íons de lítio (Li-ion) para armazenar a energia coletada. Estão agora disponíveis baterias de iões de lítio de grau industrial que podem funcionar até 20 anos. Estão disponíveis vários tipos de produtos químicos primários (não recarregáveis), cada um oferecendo vantagens e vantagens de desempenho únicas. Esses produtos químicos incluem alcalino, dissulfato de ferro (LiFeS2), dióxido de manganês de lítio (LiMnO2), cloreto de tionila de lítio (LiSOCl2) e óxido metálico de lítio (Tabela 1). formulários. Essas células oferecem maior capacidade e densidade de energia, com vida útil de até 40 anos e a maior faixa de temperatura possível, ideal para locais de difícil acesso e ambientes extremos. Entre essas químicas primárias, o LiSOCl2 tipo bobina (Figura 2) é o preferido para implantações de longo prazo em locais remotos devido à sua maior capacidade e densidade de energia, faixa de temperatura mais ampla e uma taxa de autodescarga anual incrivelmente baixa de menos de 1% ao ano para certas células.

Os dispositivos conectados à IIoT utilizam comunicações sem fio bidirecionais, exigindo assim soluções especializadas de gerenciamento de energia. Para maximizar a duração da bateria, esses dispositivos devem ser projetados para economizar energia, empregando uma variedade de técnicas de economia de energia, incluindo o uso de um protocolo de comunicação de baixa potência (WirelessHART, ZigBee, LoRa, etc.), chipsets de baixa potência e técnicas projetadas para minimizar o consumo de energia quando o dispositivo está no modo "ativo". Embora extremamente úteis, essas técnicas de economia de energia são muitas vezes diminuídas pelas perdas de energia associadas à auto-descarga anual. A auto-descarga é comum a todas as baterias, pois as reações químicas ocorrem mesmo quando uma célula é desconectada ou armazenada. A taxa de autodescarga anual de uma bateria pode variar consideravelmente com base em sua química, no design da célula, no potencial de descarga atual, na qualidade e pureza das matérias-primas e, mais importante, na capacidade de aproveitar o efeito de passivação. Exclusivo para Nas baterias de LiSOCl2, a passivação envolve uma película fina de cloreto de lítio (LiCl) que se forma na superfície do ânodo de lítio para limitar a reatividade enquanto não estiver em uso. As células LiSOCl2 podem ser construídas de duas maneiras: as células do tipo bobina apresentam menos área de superfície reativa, o que é ideal para reduzir a autodescarga. No entanto, o trade-off é uma incapacidade de fornecer energia de alta taxa. As baterias de LiSOCl2 também podem ser feitas com construção em espiral, o que permite uma taxa mais alta de fluxo de energia, com a compensação sendo uma vida operacional mais curta devido à maior autodescarga. Sempre que uma carga é colocada na célula, a camada de passivação causa alta resistência e uma queda temporária na tensão até que a reação de descarga comece a dissipar a camada de LiCl, um processo que se repete cada vez que a carga é removida. A capacidade da célula de aproveitar o efeito de passivação pode ser influenciada por sua capacidade atual; comprimento de armazenamento; temperatura de armazenamento; temperatura de descarga; e condições de descarga anteriores, pois remover a carga de uma célula parcialmente descarregada aumenta o nível de passivação em relação a quando ela era nova. Fabricantes de baterias experientes podem otimizar o efeito de passivação por meio do uso de matérias-primas de alta qualidade e empregando técnicas de fabricação proprietárias. Embora a passivação possa ser altamente benéfica para reduzir a taxa anual de autodescarga, esse processo precisa ser cuidadosamente aproveitado para evitar a restrição excessiva do fluxo de energia.