تصنيف بطاريات الليثيوم أيون من منظور المواد

(تصنيف بطاريات الليثيوم أيون من منظور المواد)

على غرار البطاريات القائمة على الرصاص والنيكل، تستخدم أيونات الليثيوم قطبًا موجبًا (كاثود) وقطبًا سالبًا (أنود) وإلكتروليتًا كموصل. السلك الموجب عبارة عن أكسيد معدني، والقطب السالب يتكون من الجرافيت المسامي. أثناء التفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر الإلكتروليت والفاصل؛ أثناء الشحن، تتدفق أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب في اتجاهين متعاكسين.

 

عندما يتم شحن البطارية وتفريغها، تنتقل أيونات Li+ بين القطبين الموجب والسالب، وأثناء التفريغ، يتأكسد الأنود ويفقد الإلكترونات، ويتم تقليل الكاثود للحصول على الجسيمات؛ وعند الشحن، تتحرك الشحنة في الاتجاه المعاكس.

 

هناك العديد من أنواع بطاريات الليثيوم أيون، وذلك حسب مادة القطب الكهربائي. ولكن عند اختيار مواد مختلفة، سيختلف أداء البطارية بشكل كبير.

 

تحتوي جميع مواد الأقطاب الموجبة على Li+. أكسيد الليثيوم والكوبالت الشائع (أكسيد الليثيوم والكوبالت)، وأكسيد الليثيوم والمنجنيز (المعروف أيضًا باسم السبينيل أو منجنات الليثيوم)، وفوسفات الحديد الليثيوم، ومادة النيكل والكوبالت والمنجنيز الثلاثية (NMC) [3] وأكسيد الألومنيوم الليثيوم والنيكل والكوبالت (NCA). كل هذه المواد لها حد طاقة نظري أعلى (تبلغ السعة النظرية لبطارية أيون الليثيوم حوالي 2000 كيلو وات في الساعة، وهو ما يزيد عن عشرة أضعاف الطاقة النوعية لبطارية أيون الليثيوم التجارية).

 

تستخدم بطارية الليثيوم أيون الأصلية من سوني فحم الكوك (منتج من الفحم) كمادة ضارة للأقطاب الكهربائية. منذ عام 1997، قامت معظم شركات تصنيع بطاريات الليثيوم أيون، بما في ذلك سوني، بتحويل مواد الأنود إلى الجرافيت، مما أدى إلى منحنى تفريغ مسطح. الجرافيت هو شكل من أشكال الكربون المستخدم في أقلام الرصاص. يمكنه تخزين أيونات الليثيوم جيدًا أثناء الشحن وله دورة طويلة وثبات ممتاز. من بين مواد الكربون، يعد الجرافيت هو الأكثر شيوعًا، يليه الكربون الصلب والكربون اللين. لم تجد أنواع الكربون الأخرى، مثل أنابيب الكربون النانوية، استخدامًا تجاريًا لها بعد. يقارن الشكل أدناه منحنيات تفريغ الجهد لبطارية ليثيوم أيون حديثة مع الجرافيت كقطب سالب وبطارية ليثيوم أيون مع قطب سالب كوك قديم.

 

في نطاق التفريغ التشغيلي العادي، يجب أن يكون للبطارية منحنى جهد مسطح، وهو أفضل من الكوك السابق.

 

كما تتطور مواد الأنود، ويجري الباحثون تجارب مستمرة على مواد جديدة، بما في ذلك السبائك القائمة على السيليكون. في هذه السبائك، ترتبط ست ذرات كربون بأيون ليثيوم واحد، ويمكن لذرة سيليكون واحدة أن ترتبط بأربع أيونات ليثيوم. وهذا يعني أن القطب السالب للسيليكون يمكنه نظريًا تخزين عشرة أضعاف طاقة مادة الجرافيت. في الوقت الحاضر، زادت مواد السيليكون بنسبة 20٪ -30٪ في السعة النوعية على حساب تقليل إمكانات الحمل وعمر الدورة. ومع ذلك، فإن المشكلة هي أنه أثناء عملية الشحن، تتوسع أيونات الليثيوم بسهولة في الحجم بعد تضمينها في المادة القائمة على السيليكون (تنمو إلى أكثر من أربعة أضعاف الحجم الأولي).

 

يتميز ملح تيتانات الليثيوم النانوي بعمر دورة جيد وقدرة تحميل جيدة وأداء ممتاز في درجات الحرارة المنخفضة وأداء أمان وظيفي كمواد أقطاب ضارة. ومع ذلك، فإن وظيفته المحددة منخفضة وتكلفته مرتفعة.

(تصنيف بطاريات الليثيوم أيون من منظور المواد)