סוללות הליתיום לוקחות את ה- IIOT לכל מקום

חיישנים אלחוטיים בעלי הספק נמוך, הנשלטים מרחוק, משתמשים בתאי ליתיום תעשייתיים כדי לספק חיי סוללה ארוכים יותר, הנדרשים ל- IIoT (האינטרנט של הדברים – בתחום התעשייה).

קיים שימוש גובר בהתקנים אלחוטיים הנשלטים מרחוק, המחוברים ל- IIoT עם הספק נמוך.

השימושים כוללים, בין היתר, איתור חפצים, בקרת פיקוח, ניטור תעשייתי, בינה מלאכותית ורשתות מכונה-למכונה (M2M).

שימוש בסוללות מרחיב את האפשרויות לאספקת חשמל בעלות נמוכה לאזורים עם גישה מוגבלת ותנאי סביבה קיצוניים. עובדה זו חשובה במיוחד כאשר הפתרונות דורשים חיווט מורכב ויקר אשר הופך את עלות הסוללות התעשייתיות למוצדקת, בשל אמינות גבוהה יותר ועלות הקמה זולה יותר.

עמידה בדרישות של התקני הספק נמוך

ישנם שני סוגים של התקני הספק נמוך: אלה הצורכים אנרגיה ממוצעת של זרם רקע ופולסים הנמדדים במיקרו-אמפרים, ומתאימים לסוללת ליתיום ראשונית תעשייתית (שאינה נטענת), ואלה הצורכים אנרגיה ממוצעת של זרם רקע ופולסים הנמדדים במילי-אמפרים, שעלולים לגמור את הסוללה הראשונית בזמן קצר יחסית.

הדרך הטובה ביותר לענות על צרכי הנישה הזאת היא שילוב של התקן קצירת אנרגיה (Energy harvesting) עם סוללת ליתיום-יון תעשייתית נטענת (Li-ion), כדי לאחסן את האנרגיה שנקצרה.

בחירת סוללה כרוכה בשקלול משתנים רבים: כמות הזרם הנצרכת במצב אקטיבי (גודל, משך ותדירות הפולסים), האנרגיה שנצרכת במצב המתנה (זרם הרקע) זמן האחסון (פריקה עצמית רגילה במהלך אחסון פוגעת בקיבול הסוללה), טמפ’ הסביבה (לרבות אחסון ותפעול בשטח) ומתח ההתקן, אשר גורם להפסקת השימוש בסוללה כאשר קיבולת התא מוצתה או בחשיפה ממושכת לטמפרטורות קיצון.

קצב הפריקה העצמית השנתית של התא הוא שיקול קריטי, מכיוון שלעיתים קרובות הוא עולה על האנרגיה הנדרשת לתפעול ההתקן.

כמתכת קלה עם הפרש ליתיום מפיק את האנרגיה הסגולית הגבוהה ביותר (אנרגיה ליחידת משקל), עם צפיפות האנרגיה הגבוהה ביותר (אנרגיה ליחידת נפח) מכל הטכנולוגיות הקיימות כיום. תאי הליתיום פועלים בטווח מתחים תפעולי של 2.7 עד 3.6 וולט. טכנולוגיה זו אינה מבוססת על אלקטרוליט מימי והסיכוי שתקפיא בטמפרטורות קיצון נמוכות קטנה משמעותית.

ישנו מבחר של סוללות ראשוניות (שאינן נטענות), לרבות ברזל גופרתי (LiFeS₂), ליתיום מנגן דו חמצני (LiMNO₂), ליתיום תיוניל כלוריד (LiSOCl₂), סוללות אלקליות  ו- Li Metal Oxide

(טבלה 1).

למה הפריקה העצמית של הסוללה חשובה כל כך

פריקה עצמית היא מאפיין משותף לכל הסוללות, מכיוון שתגובות כימיות צורכות אנרגיה גם כאשר התא אינו בשימוש או נמצא באחסון. פריקה עצמית ניתנת לצמצום מהותי על ידי שימוש באפקט הפסיבציה (שכבה פסיבית). פסיבציה מתרחשת רק בסוללות LiSOCl_2,  כאשר מעטפת דקה של ליתיום כלוריד (LiCl) נוצרת על האנודה ומפרידה אותה מהקתודה, ובכך מגבילה ומקטינה את התהליך הכימי הגורם לפריקה עצמית.

כאשר יש עומס (משיכת זרם ע”י צרכן) על התא, שכבת הפסיבציה גורמת להתנגדות ראשונית גבוהה ונפילה זמנית במתח עד שהשכבה הפסיבית מתחילה להיאכל, תהליך בניית השכבה הפסיבית חוזר על עצמו בכל פעם שהעומס מופסק.

אינספור גורמים יכולים להשפיע על אפקט הפסיבציה, לרבות: משיכת הזרם מהסוללה, משך וטמפרטורת האחסון, טמפרטורת פריקה ותנאי פריקה קודמים. פריקה חלקית של הסוללה והסרת העומס לאחר מכן מגבירים את בניית השכבה הפסיבית ביחס לשכבה הראשונית שנבנתה. פסיבציה מסייעת להארכת חיי הסוללה, אך שכבת פסיבציה עבה מידי יכולה להגביל את יכולת הוצאת הזרמים.

פריקה עצמית מושפעת גם מתהליך הייצור של הסוללה ואיכות וטוהר חומרי הגלם. לדוגמא, סוללת תיוניל כלוריד מסוג Bobbin, באיכות גבוהה (LiSOCl₂) יכולה להגיע עם קצב פריקה עצמית נמוך עד 0.7% לשנה, ולשמור על 70% מהקיבולת המקורית שלו אחרי 40 שנה. לעומת זאת, סוללת תיוניל כלוריד מסוג Bobbin, באיכות נמוכה יותר יכולה להגיע עם קצב פריקה עצמית של עד 3% לשנה, ולאבד 30% מהקיבולת הראשונית שלה כל 10 שנים.

סוללות  תיוניל כלוריד (LiSOCl₂) ניתן ליצור בשתי מבנים: Bobbin או ספירלי.

תאים ספירליים מספקים זרמי עבודה גבוהים יותר עם חיסרון של קצב פריקה עצמית גבוה יותר. סוללות תיוניל כלוריד (LiSOCl₂) מסוג Bobbin מתאימות במיוחד לשימושים של הספק נמוך שיכולים להרוויח מהקיבולת הגבוהה ומצפיפות האנרגיה, טווח הטמפרטורות הרחב (-80°C עד 125° C) ופריקה עצמית נמוכה בצורה משמעותית.

תקשורת אלחוטית דו כיוונית דורשת פולסים גבוהות

התקנים מבוססי סוללות נדרשים לספק פולסים הולכים וגדלים על מנת לספק אנרגיה לתקשורת אלחוטית דו- כיוונית.

כדי לשמר אנרגיה, יש לתכנן התקנים אלה בצורה חכמה, באמצעות פרוטוקול תקשורת עם הספק נמוך (כגון WirelessHART, ZigBee, או LoRa), שימוש בשבבים עם הספק נמוך וטכניקות תקשורת מוגנות פטנט החוסכות בחשמל.

בגלל המבנה שלהם, המאפשר משיכת זרם נמוכה, תאי Bobbin סטנדרטיים מסוג תיוניל כלוריד לא יכולים לספק את הפולסים הגבוהים הנדרשים לתקשורת אלחוטית דו- כיוונית. ניתן להתגבר על כך על ידי הוספת קבל בעל שכבה היברידית (HLC).

תא התיוניל כלוריד מסוג Bobbin מספק זרם רקע במצב המתנה, בזמן שה- HLC מתפקד כסוללה נטענת כדי להפיק פולסים גבוהים, עד 15 אמפר. ה-HLC כולל גם אפשרות ייחודית לקבוע את סיום חיי הסוללה באמצעות מתח קבוע.

סופר קבלים לרוב מבצעים את הפונקציה הזו בהתקנים לצרכן, אך נדיר שהם משמשים לצרכים תעשייתיים, בגלל חסרונות מהותיים כמו אנרגיה נמוכה, תכונות פריקה ליניאריות שאינן מאפשרות פריקה מלאה של אנרגיה זמינה, קיבולת נמוכה, צפיפות אנרגיה נמוכה, וקצב פריקה עצמית גבוה מאוד של עד 60% לשנה. בנוסף, סופר קבלים המחוברים בטור דורשים מעגלי איזון מסורבלים, יקרים וזוללי אנרגיה, מה שיקצר את חיי התפעול שלהם.

להלן כמה דוגמאות אמיתיות לשימוש בסוללות תיוניל כלוריד מסוג Bobbin.

Cryoegg: חוקרים הלומדים את השפעת שינוי האקלים ועליית פני המים בערוצי מים עמוקים מתחת לקרחונים בגרינלנד ואנטרקטיקה מסתמכים על Cryoegg, חיישן תת מימי, כדי לנטר טמפרטורות, לחץ, ומוליכות חשמלית.

שימוש ב- Cryoegg מבטל את הצורך בחיווט ע”י כבלים שהם מסורבלים, יקרים וניזוקים בקלות בגלל תנועת קרחונים.

תאי תיוניל כלוריד  מסוג Bobbin נבחרו בגלל הקיבולת הגבוהה, צפיפות האנרגיה הגבוהה, טווח טמפרטורת רחב ויכולות לספק צריכת זרם גבוהה

כדי להפחית את עלויות החיישן, ה- Cryoegg האלחוטי משתמש בטכנולוגית שידור אלחוטית קיימת מסוג M-Bus בתדר 169 MHz שפופולריים במשדרי מוני גז ומים אלחוטיים AMR/AMI  (MTU).

Oceantronics: העברת ציוד מדעי באזור הארקטי יכולה להיות מאתגרת. מסיבה זו, Oceantronics תכננו מחדש את הסוללות ל-GPS/מצוף הקרח שלהם.

באמצעות המעבר לסוללות תיוניל כלוריד בשילוב HLC ביטול הצורך במארז סוללות גדולות המכיל 380 תאי D  מסוג אלקליין והם הוחלפו  בפתרון קומפקטי, קל ויעיל, עם 32 תאי תיוניל כלוריד מסוג Bobbin ו- 4 HLC.

 Oceantronics השיגו הפחתה של 90% בגודל ובמשקל (מ- 54 ק”ג ל- 3.2 ק”ג) מה שמקל על שינוע    ה-GPS/מצוף הקרח שלהם במסוק (תמונות 4).

המעבר מתאי אלקליין לתאי תיוניל כלוריד גם האריך את חיי המוצר פי כמה וכמה.

במסגרת תוכנית בירד אנרגיה, חברת תדיראן סוללות בע”מ וחברתHit Nano Inc.   האמריקאית ישתפו פעולה בפיתוח תא ליתיום -יון בגודל AA המבוסס על אנודת סיליקון וקטודה עתירת ניקל. התא יהיה עתיר אנרגיה ובעל רמת בטיחות גבוהה, ומיועד ליישומים תעשייתיים בשוק האינטרנט של הדברים (IoT).

לפעמים נדרש קציר אנרגיה (Energy harvesting)

שימוש של צרכן זרם הנמדד במילי-אמפרים יכול למצות במהירות סוללת ליתיום ראשונית, מה שדורש שימוש בהתקן קצירת אנרגיה יחד עם סוללת ליתיום-איון תעשייתית נטענת (Li-ion).

דוגמא אחת לכך היא Cattlewatch, חברה המשתמשת בפאנלים סולריים קטנים (PV) וסוללות Li-ion כדי ליצור רשתות המאתרות את מיקומם, בריאותם ובטיחותם של עדרים.

שילוב של סולרי/Li-ion מספק גם חשמל למערכות חכמות לגביית דמי חנייה. אלה מצוידות בחיישנים המבוססים על בינה מלאכותית כדי לזהות מקומות חנייה פנויים.

תאי Li-ion נטענים לצרכן הם זולים, בעלי אורך חיים קצר יחסית (5 שנים ו-500 מחזורי טעינה) וטווח טמפרטורות מוגבל (0°C -40°C).

לעומת זאת, סוללות Li-ion תעשייתיות יכולות לפעול עד 20 שנה עם 5000 מחזורי טעינה מלאים, בטווח טמפרטורות רחב (-40°C עד 85°C), עם היכולת לספק פולסים גבוהים (טבלה 2).

בחירת סוללה חזקה יותר, עם מחזור חיים ארוך, משתלמת בטווח הארוך בשל אמינות גבוהה ועלות בעלות מופחתת.