بطاريات الليثيوم أيون وتحديات تصنيعها

بطاريات ليثيوم أيون نكون المصنعة في مجموعات من الأقطاب الكهربائية ومن ثم يتم تجميعها في الخلايا. يتم خلط المادة الفعالة مع مواد رابطة بوليمرية، وإضافات موصلة، ومذيبات لتكوين ملاط ​​يتم بعد ذلك تغليفه على رقائق مجمع التيار وتجفيفه لإزالة المذيب وإنشاء طلاء قطب كهربائي مسامي.

لا توجد بطارية ليثيوم أيون واحدة. مع توفر مجموعة متنوعة من المواد والأزواج الكهروكيميائية، من الممكن تصميم خلايا بطارية مخصصة لتطبيقاتها من حيث الجهد الكهربي وحالة استخدام الشحن واحتياجات العمر والسلامة. كما يسهل اختيار الأزواج الكهروكيميائية المحددة تصميم نسب الطاقة والطاقة والطاقة المتاحة.

يتطلب التكامل في خلية كبيرة الحجم تصنيعًا محسنًا للأقطاب الكهربائية واستخدام المواد النشطة. يتم تغليف الأقطاب الكهربائية برقائق تجميع التيار المعدنية في هيكل مركب من المواد النشطة، والمواد الرابطة، والمواد المضافة الموصلة، مما يتطلب تحكمًا دقيقًا في الكيمياء الغروية، والالتصاق، والتصلب. لكن المواد غير النشطة المضافة وتغليف الخلايا يقللان من كثافة الطاقة. علاوة على ذلك، فإن درجة المسامية والضغط في القطب الكهربائي يمكن أن تؤثر على أداء البطارية.

بالإضافة إلى هذه التحديات المتعلقة بالمواد، فإن التكلفة تشكل عائقًا كبيرًا أمام اعتماد هذه التكنولوجيا على نطاق واسع. ويجري استكشاف المسارات لجلب البطاريات المتوفرة تجاريًا بقدرة 100 واط/كجم و200 واط/ساعة بسعر 500 دولار/كيلوواط ساعة حتى 250 واط/كجم و400 واط/ساعة مقابل 125 دولارًا/كيلوواط ساعة فقط.

أساسيات بطاريات ليثيوم أيون

أصبحت بطارية أيون الليثيوم ممكنة بفضل اكتشاف أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO ₂ )، والذي يسمح باستخلاص أيونات الليثيوم وخلق كميات كبيرة من الشواغر (بدون تغيير بلوري) تصل إلى إزالة نصف الأيونات الموجودة. الاقتران بـ LiCoO ₂ مع الجرافيت يسمح بإقحام أيونات الليثيوم بين طبقات الجرافين التي تشغل الموقع الخلالي بين كل حلقة سداسية من ذرات الكربون (بيسنهارد وشولهورن 1976؛ ميزوشيما وآخرون 1980؛ ويتنجهام 1976).

تنتقل أيونات الليثيوم أثناء الشحن من القطب الموجب (الكاثود) عبر إلكتروليت صلب أو سائل إلى القطب السالب (الأنود)، وأثناء التفريغ، في الاتجاه المعاكس. عند كل قطب كهربائي، يحتفظ الأيون بشحنته وينتقل إلى البنية البلورية التي تشغل المواقع الخلالية في البلورات الموجودة على جانب الأنود أو يعيد احتلال موقع شاغر في الكاثود الذي تشكل عندما غادر أيون الليثيوم تلك البلورة. أثناء نقل الأيون، يتم تقليل أو أكسدة المصفوفة المضيفة، مما يطلق أو يلتقط إلكترونًا. ¹

مجموعة متنوعة من مواد الكاثود

إن البحث عن مواد كاثود جديدة مدفوع جزئيًا بالعيوب المهمة لـ LiCoO ₂ . تبلغ درجة حرارة البطارية الأساسية 40-70 درجة مئوية وقد تكون عرضة لبعض التفاعلات ذات درجات الحرارة المنخفضة. ولكن عند درجة حرارة 105-135 درجة مئوية، يكون شديد التفاعل ومصدرًا ممتازًا للأكسجين يشكل خطرًا على السلامة يسمى رد فعل حراري هارب ، حيث تؤدي التفاعلات الطاردة للحرارة للغاية إلى ارتفاع درجات الحرارة وتتسارع بسرعة مع إطلاق حرارة إضافية (روث 2000).

مواد بديلة لـ LiCoO ₂ هم أقل عرضة لهذا الفشل. تستبدل المركبات أجزاء من الكوبالت بالنيكل والمنغنيز لتكوين Li(Ni _س من _ذ شركة _ض )يا ₂ المركبات (مع س + ذ + ض = 1)، يشار إليها غالبًا باسم NMC لأنها تحتوي على النيكل والمنغنيز والكوبالت؛ أو أنها تظهر بنية جديدة تمامًا في شكل فوسفات (على سبيل المثال، LiFePO ₄ ) (دانيال وآخرون 2014). تظهر جميع مواد الكاثود هذه قدرات تتراوح بين 120-160 أمبير/كجم عند 3.5-3.7 فولت، مما يؤدي إلى كثافة طاقة قصوى تصل إلى 600 وات/كجم.

ومع ذلك، عند تعبئتها في أجهزة حقيقية، تتم إضافة الكثير من كتلة المواد غير النشطة وتميل كثافة الطاقة إلى الانخفاض إلى 100 وات ساعة/كجم على مستوى العبوة. وللدفع نحو زيادة كثافة الطاقة، سعى الباحثون إلى زيادة السعة والجهد العالي، ووجدوا ذلك في أكاسيد الفلزات الانتقالية الغنية بالليثيوم والمنغنيز. هذه المركبات هي في الأساس نفس المواد الموجودة في NMC، لكن وجود فائض من الليثيوم وكميات أعلى من المنغنيز يحل محل النيكل والكوبالت. تسمح الكميات الأعلى من الليثيوم (أكثر بنسبة 20 بالمائة) للمركبات بأن تتمتع بقدرة أعلى (Thackeray et al. 2007) وجهد أعلى، مما ينتج عنه كاثودات تصل إلى 280 أمبير/كجم عند شحنها حتى 4.8 فولت. تظهر هذه المركبات الجديدة مشاكل في الاستقرار وتميل إلى التلاشي بسرعة.

موازنة المواد في الخلايا

تصنع بطاريات الليثيوم أيون من طبقات من الأقطاب الكهربائية المسامية الموجودة على رقائق تجميع التيار من الألومنيوم والنحاس (دانيال 2008). يجب أن تكون قدرة كل زوج من الأقطاب الكهربائية متوازنة لضمان سلامة البطارية وتجنب خطر الشحن الزائد للأنود (مما قد يؤدي إلى طلاء معدن الليثيوم وقصر الدائرة الكهربائية) أو الإفراط في تفريغ الكاثود (مما قد يؤدي إلى انهيار الهيكل البلوري) وفقدان الوظائف الشاغرة للليثيوم لإعادة التداخل، مما يقلل بشكل كبير من القدرة).

يتمتع الجرافيت بقدرة نظرية تبلغ 372 آه/كجم، أي ضعف قدرة الليثيوم المتوفر في كاثودات NMC. لذا، في بطاريات الليثيوم أيون المتوازنة، تظهر الكاثودات عادةً ضعف سمكها مقارنةً بالأنود. هذا الخلل المتأصل في تصميم الخلية يسبب مشاكل في النقل الجماعي والحركية، وبالتالي دفع إلى البحث عن كاثودات عالية السعة.

ولزيادة كثافة الطاقة على مستوى الخلية، يتم تقليل المواد غير النشطة في خلايا البطارية. على سبيل المثال، إحدى الطرق لتقليل مجمع التيار هي زيادة سمك الأقطاب الكهربائية، ولكن هذا يؤدي إلى مزيد من مشاكل النقل ويتطلب مسامية عالية الهندسة في القطب الكهربي.

تحديات التكلفة في تصنيع بطاريات ليثيوم أيون

تكاليف بطاريات الليثيوم أيون أعلى بكثير مما سيتحمله سوق السيارات للاختراق الكامل للسيارات الكهربائية ومنتج محايد التكلفة مقارنة بالسيارات التي تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي. التكلفة المستهدفة لوزارة الطاقة الأمريكية لجميع بطاريات السيارات الكهربائية هي 125 دولارًا/كيلوواط ساعة من الطاقة القابلة للاستخدام (وزارة الطاقة 2013). التكلفة الحالية للبطاريات التجارية هي 400-500 دولار/كيلوواط ساعة وتكلفتها المتوقعة مع المواد التجريبية الحالية هي 325 دولار/كيلوواط ساعة. تم تحقيق معظم التخفيض في التكلفة حتى الآن من خلال زيادة كثافة الطاقة بتكلفة مماثلة لمنتجات الجيل الأقدم.

ومن الممكن تحقيق المزيد من خفض التكاليف من خلال تحسين خطط التصنيع. يتم تصنيع بطاريات الليثيوم أيون في مجموعات من الأقطاب الكهربائية ثم يتم تجميعها في الخلايا. يتم خلط المادة الفعالة مع مواد رابطة بوليمرية، وإضافات موصلة، ومذيبات لتكوين ملاط ​​يتم بعد ذلك تغليفه على رقائق مجمع التيار وتجفيفه لإزالة المذيب وإنشاء طلاء قطب كهربائي مسامي. يعتبر المذيب المفضل، N- ميثيل بيروليدون (NMP)، بمثابة مذيب مادة غير مباشرة (وهو ضروري للإنتاج ولكنه غير موجود في الجهاز النهائي)، ولكنه مكلف، ويعرض أبخرة قابلة للاشتعال، وعالي السمية.

تتطلب الأبخرة القابلة للاشتعال في NMP أن تكون جميع معدات المعالجة أثناء إنتاج الأقطاب الكهربائية مقاومة للانفجار، مما يعني أن جميع المكونات الكهربائية المنتجة للشرارة يجب أن تكون محمية من الأبخرة ويجب تهوية المساحات بدرجة عالية للحفاظ على تركيزات البخار منخفضة. وتؤدي هذه التدابير إلى زيادة التكلفة الرأسمالية لهذه المعدات بشكل كبير.

بالإضافة إلى ذلك، يتعين على مصنع تصنيع الأقطاب الكهربائية استعادة المذيب من تيار العادم، وتقطيره، وإعادة تدويره. وهذه مرة أخرى تكلفة إضافية.

تخفيض التكلفة عن طريق المعالجة القائمة على الماء

يعد استبدال NMP بالماء فرصة هائلة لتقليل تكلفة إنتاج بطاريات الليثيوم أيون. تكلفة المياه لا تذكر مقارنة بتكلفة NMP؛ الماء غير قابل للاشتعال ولا ينتج أبخرة قابلة للاشتعال. والمياه حميدة بيئيا. ومع ذلك، الماء مذيب قطبي وسلوكه يختلف تمامًا عن سلوك NMP غير القطبي. علاوة على ذلك، تميل المواد النشطة إلى التكتل وتكون أسطح مجمعات التيار المعدنية كارهة للماء، مما يجعل عملية الطلاء أكثر صعوبة.

تتيح معرفة الشحنات السطحية على الجسيمات (عن طريق قياس إمكانات زيتا) تصميم قطبية السطح في وجود الماء عن طريق إدخال كميات صغيرة من المواد الخافضة للتوتر السطحي. في حالة مركبات الإقحام الكاثودي، تم استخدام إيميد البولي إيثيلين بنجاح لإدخال شحنة سطحية كبيرة بما يكفي لصد الجزيئات بحيث لا تشكل تكتلات غير مقبولة (Li et al. 2013).

إن فهم الطاقة السطحية للمعادن والتوتر السطحي للملاط بالإضافة إلى تفاعلها يسمح بتحسين الزوج. تعمل معالجة البلازما الجوية للسطح المعدني من خلال التعرض لبلازما الهالة على إزالة المركبات العضوية الموجودة على السطح وتمكين النقش والأكسدة الطفيفة، مما يقلل بشكل كبير من الطاقة السطحية إلى قيم أقل من التوتر السطحي للملاط. يتيح ذلك ترطيبًا مثاليًا للسطح بواسطة الملاط ويخلق طبقة ذات التصاق محسّن (Li et al. 2012). والنتيجة هي خفض تكاليف التشغيل والمواد بنسبة 75 بالمائة في تصنيع الأقطاب الكهربائية وخفض محتمل في التكلفة يصل إلى 20 بالمائة على مستوى حزمة البطارية لتطبيقات السيارات (Wood et al. 2014). وهذا لا يشمل انخفاض تكلفة المعدات: فالنفقات المرتبطة بمعدات معالجة البلازما أقل بكثير من تلك الخاصة بنظام استعادة المذيبات ومتطلبات مقاومة الانفجار.

الفرص المستقبلية لخفض التكاليف

سيتم تحقيق المزيد من التخفيضات في التكاليف من خلال زيادة المعرفة بآليات النقل وتأثيرات هندسة الأقطاب الكهربائية على الأداء الكهروكيميائي. تركز الأبحاث الحالية إلى حد كبير على النمذجة والمحاكاة لفهم الآليات الجزيئية وتحسين تصميم الأقطاب الكهربائية ومداخن الأقطاب الكهربائية وخلايا البطارية. ستعمل الأقطاب الكهربائية الأكثر سمكًا والتخفيض الهائل في المواد غير النشطة على تحسين كثافة الطاقة بتكلفة أقل، وتقليل التكاليف المباشرة، وربما تمكين دورة تكوين بطارية أقصر وأقل استهلاكًا للطاقة.

خاتمة

تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بإمكانيات هائلة لتمكين كهربة أسطول السيارات جزئيًا أو كاملاً، وتنويع مصادر الطاقة للنقل، ودعم تخزين الطاقة على نطاق واسع لتحقيق اختراق أكبر لإمدادات الطاقة المتجددة المتقطعة. ومع ذلك، لا تزال التكلفة تمثل مشكلة ويجب معالجتها من خلال تطوير سلسلة توريد قوية، ومعايير في التصنيع، وإنتاجية تصنيع عالية، وأساليب معالجة مبسطة ومنخفضة التكلفة. بالإضافة إلى خفض التكاليف، يمكن للأبحاث تعزيز المعرفة بالعمليات الجزيئية وقضايا النقل من أجل تحسين تصميم واستخدام الطاقة المتاحة في البطاريات وزيادة عمرها الافتراضي.

كما هو موضح في هذه الورقة، فإن زيادة محتوى الطاقة والقدرة في مواد الأقطاب الكهربائية النشطة وتقليل المواد غير المباشرة في الإنتاج هما طريقتان للتأثير على التكلفة.

شكر وتقدير

تمت رعاية أجزاء من هذا البحث في مختبر أوك ريدج الوطني (ORNL؛ الذي تديره شركة UT Battelle, LLC) لوزارة الطاقة الأمريكية (بموجب العقد DE-AC05-00OR22725) من قبل تقنيات المركبات الخاصة بمكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة (EERE). البرنامج الفرعي لمكتب (VTO) لأبحاث البطاريات التطبيقية (ABR) (مديرو البرنامج: بيتر فاجوي وديفيد هاول). يشيد المؤلف بالعديد من المناقشات المثمرة والمساهمات المقدمة من David Wood وJianlin Li وDebasish Mohanty من مرفق البحث والتطوير لتصنيع البطاريات التابع لوزارة الطاقة في ORNL وBeth Armstrong في قسم علوم وتكنولوجيا المواد في ORNL.

مصدر المقال:جسر الربيع: من حدود الهندسة وخارجها