نظرة عامة على بطارية الليثيوم | BSLBATT الطاقة المتجددة

تستخدم BSLBATT Engineered Technologies فرق الهندسة والتصميم والجودة والتصنيع ذات الخبرة لدينا بحيث يمكن لعملائنا التأكد من حلول البطاريات المتقدمة تقنيًا التي تلبي المتطلبات الفريدة لتطبيقاتهم المحددة. نحن متخصصون في تصميم خلايا الليثيوم القابلة لإعادة الشحن وغير القابلة لإعادة الشحن وحزمة البطاريات حيث نعمل مع مجموعة متنوعة من كيمياء خلايا الليثيوم لتقديم خيارات وحلول للتطبيقات المطلوبة في جميع أنحاء العالم.

حزمة بطارية الليثيوم التقنيات

تمكننا قدراتنا التصنيعية الواسعة من بناء حزم البطاريات الأساسية، إلى حزم مخصصة تحتوي على دوائر وموصلات ومبيتات متخصصة. من الحجم المنخفض إلى الحجم الكبير، لدينا القدرة والخبرة الصناعية لتلبية الاحتياجات الفريدة لجميع مصنعي المعدات الأصلية حيث يمكن لفريقنا الهندسي ذي الخبرة تصميم حلول البطاريات المخصصة وتطويرها واختبارها وتصنيعها لتلبية الاحتياجات المحددة لمعظم التطبيقات.

تقدم BSLBATT حلولاً متكاملة بناءً على متطلبات العملاء ومواصفاتهم. نحن نتشارك مع الشركات المصنعة للخلايا الرائدة في الصناعة لتوفير الحلول المثلى ونقوم بتطوير ودمج إلكترونيات التحكم والمراقبة الأكثر تطورًا في حزم البطاريات الخاصة بها.

كيف تعمل بطارية الليثيوم أيون؟

تستفيد بطاريات الليثيوم أيون من إمكانات التخفيض القوية لأيونات الليثيوم لتشغيل تفاعل الأكسدة والاختزال المركزي لجميع تقنيات البطاريات - الاختزال عند الكاثود، والأكسدة عند الأنود. يؤدي توصيل الأطراف الموجبة والسالبة للبطارية من خلال دائرة كهربائية إلى توحيد نصفي تفاعل الأكسدة والاختزال، مما يسمح للجهاز المتصل بالدائرة باستخلاص الطاقة من حركة الإلكترونات.

في حين أن هناك العديد من الأنواع المختلفة من الكيمياء المعتمدة على الليثيوم المستخدمة في الصناعة اليوم، سنستخدم أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2) - وهي الكيمياء التي سمحت لبطاريات أيون الليثيوم باستبدال بطاريات النيكل والكادميوم التي كانت المعيار بالنسبة للمستهلك. الإلكترونيات حتى التسعينيات - لإظهار الكيمياء الأساسية وراء هذه التكنولوجيا الشائعة.

التفاعل الكامل لكاثود LiCoO2 وأنود الجرافيت هو كما يلي:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

حيث يمثل التفاعل الأمامي الشحن، والتفاعل العكسي يمثل التفريغ. يمكن تقسيم هذا إلى ردود الفعل النصفية التالية:

عند القطب الموجب، يحدث الاختزال عند الكاثود أثناء التفريغ (انظر التفاعل العكسي).

LiCo3+O2 ⇌ xLi+ + Li1-xCo4+xCo3+1-xO2 + e-

عند القطب السالب، تحدث الأكسدة عند الأنود أثناء التفريغ (انظر التفاعل العكسي).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

أثناء التفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم (Li+) من القطب السالب (الجرافيت) عبر الإلكتروليت (أملاح الليثيوم المعلقة في محلول) والفاصل إلى القطب الموجب (LiCoO2). وفي نفس الوقت تنتقل الإلكترونات من الأنود (الجرافيت) إلى الكاثود (LiCoO2) المتصل عبر دائرة خارجية. إذا تم تطبيق مصدر طاقة خارجي، فسيتم عكس التفاعل جنبًا إلى جنب مع أدوار الأقطاب الكهربائية المعنية، التي تقوم بشحن الخلية.

ماذا يوجد في بطارية ليثيوم أيون

تحتوي الخلية الأسطوانية النموذجية 18650، وهي عامل الشكل الشائع الذي تستخدمه الصناعة للتطبيقات التجارية من أجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى السيارات الكهربائية، على OCV (جهد الدائرة المفتوحة) يبلغ 3.7 فولت. اعتمادًا على الشركة المصنعة، يمكنه توفير حوالي 20 أمبير بسعة 3000 مللي أمبير أو أكثر. ستتكون حزمة البطارية من خلايا متعددة، وستتضمن بشكل عام شريحة واقية لمنع الشحن الزائد والتفريغ بأقل من الحد الأدنى للسعة، مما قد يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة والحرائق والانفجارات. دعونا نلقي نظرة فاحصة على الأجزاء الداخلية للخلية.

القطب الموجب/الكاثود

إن مفتاح تصميم القطب الموجب هو اختيار مادة ذات جهد كهربائي أكبر من 2.25 فولت بالمقارنة مع معادن الليثيوم النقية. تختلف مواد الكاثود في أيون الليثيوم اختلافًا كبيرًا، ولكنها بشكل عام تحتوي على طبقات من أكاسيد فلز انتقال الليثيوم، مثل تصميم الكاثود LiCoO2 الذي اكتشفناه سابقًا. وتشمل المواد الأخرى الإسبنيل (أي LiMn2O4) والزبرجد الزيتوني (أي LiFePO4).

القطب السالب/الأنود

في بطارية الليثيوم المثالية، يمكنك استخدام معدن الليثيوم النقي كأنود، لأنه يوفر المزيج الأمثل من الوزن الجزيئي المنخفض والقدرة النوعية العالية الممكنة للبطارية. هناك مشكلتان رئيسيتان تمنعان استخدام الليثيوم كأنود في التطبيقات التجارية: السلامة وقابلية الانعكاس. الليثيوم شديد التفاعل وعرضة لأنماط الفشل الكارثية من نوع الألعاب النارية. أثناء الشحن أيضًا، لن يعود الليثيوم إلى حالته المعدنية الموحدة الأصلية، بدلاً من اعتماد شكل يشبه الإبرة يُعرف باسم التغصنات. يمكن أن يؤدي تكوين التغصنات إلى ثقب الفواصل مما قد يؤدي إلى حدوث قصور.

كان الحل الذي ابتكره الباحثون لاستغلال إيجابيات معدن الليثيوم دون كل السلبيات هو إقحام الليثيوم، وهي عملية وضع أيونات الليثيوم في طبقات داخل جرافيت الكربون أو بعض المواد الأخرى، للسماح بسهولة حركة أيونات الليثيوم من قطب كهربائي إلى آخر. تتضمن الآليات الأخرى استخدام مواد الأنود مع الليثيوم التي تجعل التفاعلات العكسية أكثر إمكانية. تشتمل مواد الأنود النموذجية على الجرافيت والسبائك القائمة على السيليكون والقصدير والتيتانيوم.

فاصل

يتمثل دور الفاصل في توفير طبقة من العزل الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية السالبة والموجبة، مع السماح للأيونات بالانتقال عبرها أثناء الشحن والتفريغ. ويجب أيضًا أن تكون مقاومة كيميائيًا للتحلل بواسطة المنحل بالكهرباء والأنواع الأخرى الموجودة في الخلية وقوية ميكانيكيًا بما يكفي لمقاومة التآكل. تكون فواصل أيونات الليثيوم الشائعة ذات طبيعة مسامية للغاية وتتكون من صفائح البولي إيثيلين (PE) أو البولي بروبيلين (PP).

المنحل بالكهرباء

يتمثل دور المنحل بالكهرباء في خلية أيون الليثيوم في توفير وسط يمكن من خلاله أن تتدفق أيونات الليثيوم بحرية بين الكاثود والأنود أثناء دورات الشحن والتفريغ. تتمثل الفكرة في اختيار وسط يكون موصلًا جيدًا لـ Li+ وعازلًا إلكترونيًا. يجب أن يكون المنحل بالكهرباء مستقرًا حرارياً ومتوافقًا كيميائيًا مع المكونات الأخرى في الخلية. بشكل عام، تعمل أملاح الليثيوم مثل LiClO4 أو LiBF4 أو LiPF6 المعلقة في مذيب عضوي مثل كربونات ثنائي الإيثيل أو كربونات الإيثيلين أو كربونات ثنائي الميثيل بمثابة المنحل بالكهرباء لتصميمات أيونات الليثيوم التقليدية.

الطور البيني للكهارل الصلب (SEI)

أحد مفاهيم التصميم المهمة التي يجب فهمها حول خلايا أيون الليثيوم هو الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) - وهو فيلم تخميل يتراكم عند السطح البيني بين القطب والإلكتروليت حيث تتفاعل أيونات Li+ مع منتجات تحلل الإلكتروليت. يتشكل الفيلم على القطب السالب أثناء الشحن الأولي للخلية. يحمي SEI المنحل بالكهرباء من المزيد من التحلل أثناء الشحنات اللاحقة للخلية. يمكن أن يؤثر فقدان هذه الطبقة السلبية سلبًا على دورة الحياة والأداء الكهربائي والقدرة والعمر الإجمالي للخلية. على الجانب الآخر، وجدت الشركات المصنعة أنه بإمكانها تحسين أداء البطارية من خلال ضبط SEI.

تعرف على عائلة بطاريات الليثيوم أيون

أدت جاذبية الليثيوم باعتباره مادة إلكترود مثالية لتطبيقات البطاريات إلى ظهور أنواع كثيرة من بطاريات أيونات الليثيوم. فيما يلي خمس من البطاريات الأكثر شيوعًا المتوفرة تجاريًا في السوق.

أكسيد الكوبالت الليثيوم

لقد قمنا بالفعل بتغطية بطاريات LiCoO2 بشكل متعمق في هذه المقالة لأنها تمثل الكيمياء الأكثر شيوعًا للإلكترونيات المحمولة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات الإلكترونية. يدين LiCoO2 بنجاحه إلى طاقته النوعية العالية. إن العمر القصير، والاستقرار الحراري الضعيف، وسعر الكوبالت، يدفع الشركات المصنعة إلى التحول إلى تصميمات الكاثود المخلوطة.

أكسيد الليثيوم المنغنيز

تستخدم بطاريات أكسيد المنغنيز الليثيوم (LiMn2O4) كاثودات تعتمد على MnO2. بالمقارنة مع بطاريات LiCoO2 القياسية، تعد بطاريات LiMn2O4 أقل سمية وأقل تكلفة وأكثر أمانًا في الاستخدام، ولكن بسعة منخفضة. في حين تم استكشاف التصاميم القابلة لإعادة الشحن في الماضي، تستخدم الصناعة اليوم هذه الكيمياء عادةً للخلايا الأولية (ذات الدورة الواحدة) والتي تكون غير قابلة لإعادة الشحن ومن المفترض التخلص منها بعد الاستخدام. إن الثبات الحراري العالي المتين والعمر الافتراضي الطويل يجعلها رائعة للأدوات الكهربائية أو الأجهزة الطبية.

أكسيد النيكل الليثيوم والمنغنيز والكوبالت

في بعض الأحيان يكون الكل أكبر من مجموع أجزائه، وتتميز بطاريات أكسيد الكوبالت والنيكل والنيكل والليثيوم (المعروفة أيضًا باسم بطاريات NCM) بأداء كهربائي أكبر من LiCoO2. تكتسب NCM قوتها في الموازنة بين إيجابيات وسلبيات مواد الكاثود الفردية الخاصة بها. يعد NCM أحد أكثر أنظمة الليثيوم أيون نجاحًا في السوق، ويستخدم على نطاق واسع في المحركات مثل الأدوات الكهربائية والدراجات الإلكترونية.

فوسفات الحديد الليثيوم

تحقق بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4) دورة حياة طويلة وتصنيف تيار مرتفع مع ثبات حراري جيد بمساعدة مادة كاثود الفوسفات ذات البنية النانوية. وعلى الرغم من هذه التحسينات، فهي ليست كثيفة الطاقة مثل التقنيات المخلوطة بالكوبالت، كما أنها تتمتع بأعلى معدل تفريغ ذاتي مقارنة بالبطاريات الأخرى في هذه القائمة. تحظى بطاريات LiFePO4 بشعبية كبديل لحمض الرصاص كبطارية بداية السيارة.

تيتانات الليثيوم

يؤدي استبدال أنود الجرافيت ببلورات نانوية من تيتانات الليثيوم إلى زيادة كبيرة في مساحة سطح الأنود إلى حوالي 100 متر مربع لكل جرام. يزيد الأنود ذو البنية النانوية من عدد الإلكترونات التي يمكن أن تتدفق عبر الدائرة، مما يمنح خلايا تيتانات الليثيوم القدرة على الشحن والتفريغ بأمان بمعدلات أكبر من 10 درجات مئوية (عشرة أضعاف قدرتها المقدرة). إن المقايضة للحصول على أسرع دورة شحن وتفريغ لبطاريات الليثيوم أيون هي جهد أقل نسبيًا يبلغ 2.4 فولت لكل خلية، وخلايا تيتانات الليثيوم على الطرف الأدنى من طيف كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم ولكنها لا تزال أعلى من الكيمياء البديلة مثل النيكل. الكادميوم. على الرغم من هذا العيب، فإن الأداء الكهربائي العام والموثوقية العالية والثبات الحراري وعمر الدورة الطويل للغاية يعني أن البطارية لا تزال تستخدم في السيارات الكهربائية.

مستقبل بطاريات الليثيوم أيون

هناك دفعة كبيرة من الشركات والحكومات في جميع أنحاء العالم لمتابعة المزيد من البحث والتطوير في مجال أيون الليثيوم وتقنيات البطاريات الأخرى لتلبية الطلب المتزايد على الطاقة النظيفة وتقليل انبعاثات الكربون. يمكن لمصادر الطاقة المتقطعة بطبيعتها مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أن تستفيد بشكل كبير من كثافة الطاقة العالية لأيون الليثيوم ودورة الحياة الطويلة التي ساعدت بالفعل التكنولوجيا في ركن سوق السيارات الكهربائية.

ولتلبية هذا الطلب المتزايد، بدأ الباحثون بالفعل في دفع حدود أيونات الليثيوم الموجودة بطرق جديدة ومثيرة. تستبدل خلايا بوليمر الليثيوم (Li-Po) إلكتروليتات الليثيوم السائلة الخطرة القائمة على ملح الليثيوم بمواد هلامية بوليمرية أكثر أمانًا وتصميمات خلايا شبه رطبة، للحصول على أداء كهربائي قابل للمقارنة مع تحسين الأمان ووزن أخف. الليثيوم ذو الحالة الصلبة هو أحدث التقنيات في الكتلة، ويعد بتحسينات في كثافة الطاقة والسلامة ودورة الحياة وطول العمر الإجمالي مع استقرار المنحل بالكهرباء الصلب. من الصعب التنبؤ بالتكنولوجيا التي ستفوز بالسباق للحصول على الحل النهائي لتخزين الطاقة، ولكن من المؤكد أن الليثيوم أيون سيستمر في لعب دور رئيسي في اقتصاد الطاقة في السنوات القادمة.

مزود حلول تخزين الطاقة

نقوم بتصنيع منتجات متطورة، تجمع بين الهندسة الدقيقة والخبرة الواسعة في التطبيقات لمساعدة العملاء في دمج حلول تخزين الطاقة في منتجاتهم. تتمتع شركة BSLBATT Engineered Technologies بالتكنولوجيا المثبتة وخبرة التكامل لنقل تطبيقاتك من مرحلة التصور إلى مرحلة التسويق.

لمعرفة المزيد، راجع منشور مدونتنا على تخزين بطارية الليثيوم .