Atteindre longtemps

Dec 21, 2023

Des batteries au lithium à très longue durée de vie alimentent des appareils sans fil distants dans tout l'IIoT, certaines cellules fonctionnant jusqu'à 40 ans. Cette fonctionnalité est apparue à l'origine dans l'édition IIoT & Industry 4.0 d'Automation 2023.

Les batteries à durée de vie prolongée sont essentielles pour les appareils sans fil distants utilisés dans l'ensemble de l'IIoT, offrant un avantage financier majeur en réduisant ou en éliminant le besoin de remplacement des batteries. L'utilisation d'une batterie ultra longue durée peut se traduire par des économies importantes pour les applications sans fil à distance en éliminant les dépenses de main-d'œuvre liées au remplacement de la batterie, qui dépassent invariablement le coût de la batterie elle-même. Cet avantage économique est particulièrement important pour les appareils sans fil distants déployés dans des endroits éloignés et des environnements hostiles, où l'accès à la batterie peut être très coûteux et parfois impossible.

Il existe deux types d'appareils à faible consommation. La grande majorité de ces appareils fonctionnent principalement dans un état « de veille » et consomment un courant moyen mesurable en micro-ampères avec des impulsions dans la plage multi-ampères pour alimenter les communications sans fil bidirectionnelles. Ces applications reposent généralement sur des batteries au lithium primaires (non rechargeables) de qualité industrielle, en particulier lorsque l'accès à la batterie est limité ou dans des environnements difficiles. Si la batterie est facilement accessible pour le remplacement et fonctionne dans une plage de température modérée, les batteries de qualité grand public pourraient être considérées comme une solution plus économique. Il existe également certaines applications de niche qui consomment une énergie moyenne mesurable en milliampères avec des impulsions dans le multi- gamme d'ampères, consommant suffisamment d'énergie moyenne pour raccourcir la durée de vie d'une batterie primaire. Ces applications à consommation plus élevée pourraient nécessiter l'utilisation d'un dispositif de récupération d'énergie en conjonction avec une batterie rechargeable au lithium-ion (Li-ion) pour stocker l'énergie récupérée. Des batteries Li-ion de qualité industrielle sont désormais disponibles et peuvent fonctionner jusqu'à 20 ans. De nombreux types de produits chimiques primaires (non rechargeables) sont disponibles, chacun offrant des avantages et des compromis de performance uniques. Ces produits chimiques comprennent les alcalins, le disulfate de fer (LiFeS2), le dioxyde de manganèse lithium (LiMnO2), le chlorure de lithium thionyle (LiSOCl2) et l'oxyde métallique de lithium (tableau 1). applications. Ces cellules offrent une capacité et une densité d'énergie plus élevées, jusqu'à une durée de vie de 40 ans, et la plage de température la plus large possible, ce qui est idéal pour les endroits difficiles d'accès et les environnements extrêmes.Parmi ces chimies primaires, le LiSOCl2 de type bobine (Figure 2) est largement préféré pour les déploiements à long terme dans des endroits éloignés en raison de sa capacité et de sa densité d'énergie plus élevées, de sa plage de températures plus large et d'un taux d'autodécharge annuel incroyablement faible de moins de 1 % par an pour certaines cellules.

Les appareils connectés à l'IIoT utilisent des communications sans fil bidirectionnelles, exigeant ainsi des solutions de gestion de l'alimentation spécialisées. Pour maximiser la durée de vie de la batterie, ces appareils doivent être conçus pour conserver l'énergie en utilisant une variété de techniques d'économie d'énergie, y compris l'utilisation d'un protocole de communication à faible consommation (WirelessHART, ZigBee, LoRa, etc.), des chipsets à faible consommation et des techniques conçues pour minimiser la consommation d'énergie lorsque l'appareil est en mode "actif". Bien qu'extrêmement utiles, ces techniques d'économie d'énergie sont souvent éclipsées par les pertes d'énergie associées à l'autodécharge annuelle. L'autodécharge est commune à toutes les batteries, car des réactions chimiques se produisent même lorsqu'une cellule est déconnectée ou en stockage. Le taux d'autodécharge annuel d'une batterie peut varier considérablement en fonction de sa chimie, de la conception de la cellule, du potentiel de décharge actuel, de la qualité et de la pureté des matières premières et, plus important encore, de la capacité à exploiter l'effet de passivation. Pour les batteries LiSOCl2, la passivation implique un film mince de chlorure de lithium (LiCl) qui se forme à la surface de l'anode au lithium pour limiter la réactivité lorsqu'elle n'est pas utilisée. Les cellules LiSOCl2 peuvent être construites de deux manières : les cellules de type bobine présentent moins de surface réactive, ce qui est idéal pour réduire l'autodécharge. Cependant, le compromis est une incapacité à fournir de l'énergie à haut débit. Les batteries LiSOCl2 peuvent également être fabriquées avec une construction enroulée en spirale, ce qui permet un débit d'énergie plus élevé, le compromis étant une durée de vie plus courte en raison d'une autodécharge plus élevée. Chaque fois qu'une charge est placée sur la cellule, la couche de passivation provoque une haute résistance et une baisse temporaire de tension jusqu'à ce que la réaction de décharge commence à dissiper la couche de LiCl, un processus qui se répète chaque fois que la charge est retirée. La capacité de la cellule à exploiter l'effet de passivation peut être influencée par sa capacité actuelle ; durée de stockage; température de stockage; température de décharge ; et des conditions de décharge antérieures, car la suppression de la charge d'une cellule partiellement déchargée augmente le niveau de passivation par rapport à son état neuf. Les fabricants de batteries expérimentés peuvent optimiser l'effet de passivation en utilisant des matières premières de meilleure qualité et en employant des techniques de fabrication exclusives. Bien que la passivation puisse être très bénéfique pour réduire le taux d'autodécharge annuel, ce processus doit être soigneusement exploité pour éviter de trop restreindre le flux d'énergie.

Bien que les cellules LiSOCl2 de type bobine standard soient idéales pour exploiter l'effet de passivation, elles sont incapables de générer les impulsions élevées requises pour les communications sans fil bidirectionnelles en raison de leur conception à faible débit. Ce défi peut être surmonté avec une solution hybride, où la cellule LiSOCl2 de type bobine standard est utilisée pour fournir un courant de fond de faible niveau tout en étant augmentée par un condensateur à couche hybride (HLC) qui stocke et délivre des impulsions élevées (Figure 3).

Des différences majeures peuvent exister entre des cellules LiSOCl2 de type bobine apparemment identiques. Par exemple, une batterie LiSOCl2 de type bobine de qualité supérieure peut présenter un taux d'autodécharge aussi faible que 0,7 % par an et est capable de conserver 70 % de sa capacité d'origine après 40 ans. En revanche, une cellule de qualité inférieure peut avoir un taux d'autodécharge plus élevé allant jusqu'à 3 % par an et perdre 30 % de sa capacité tous les 10 ans, ce qui rend la durée de vie de la batterie de 40 ans impossible. Le choix de la batterie idéale peut être difficile, en en partie parce que les pertes d'énergie annuelles associées à une autodécharge plus élevée peuvent mettre des années à devenir pleinement apparentes, et les modèles prédictifs utilisés pour estimer la durée de vie prévue de la batterie ont tendance à sous-estimer l'effet de passivation ainsi que l'impact de l'exposition à long terme à des températures extrêmes. Diverses procédures de test sont disponibles pour estimer la durée de vie prévue de la batterie, la meilleure source étant les données de test historiques tirées des cellules utilisées sur le terrain. Lorsque la durée de vie prolongée de la batterie est essentielle pour maximiser votre retour sur investissement (ROI), il est avantageux d'effectuer des tests supplémentaires. diligence raisonnable en exigeant des résultats de test à long terme entièrement documentés ainsi que des données historiques de test sur le terrain impliquant des appareils comparables sous des charges et des conditions environnementales similaires. En accordant une plus grande attention lors de l'évaluation des batteries concurrentes, vous pouvez réaliser d'importantes économies à long terme en augmentant la fiabilité et la durée de vie de votre appareil. Cette fonctionnalité est apparue à l'origine dans l'édition IIoT & Industry 4.0 d'Automation 2023.

Sol Jacobs est vice-président et directeur général de Tadiran Batteries. Il a plus de 30 ans d'expérience dans l'alimentation d'appareils distants. Sa formation comprend un BS en ingénierie et un MBA.

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