ستة أنواع شائعة من بطاريات الليثيوم ومعلمات أدائها الرئيسية

غالباً ما نتحدث عن بطاريات الليثيوم الثلاثية أو بطاريات الليثيوم الحديدية، والتي تسمي بطاريات الليثيوم على اسم مواد الكاثود النشطة.هذه الورقة تلخص ستة أنواع شائعة من بطاريات الليثيوم ومعلمات أدائها الرئيسيةكما نعلم جميعا، نفس المسار الفني للخلية، والمعايير المحددة ليست هي نفسها تماما، وهذا العمل يظهر المستوى العام من المعلمات الحالية.بطاريات الليثيوم الستة تشمل: أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2) ، منغنيت الليثيوم المنغنيز (LiMn2O4) ، منغنيت الليثيوم النيكل الكوبالت (LiNiMnCoO2 أو NMC) ، منغنيت الليثيوم النيكل الكوبالت (LiNiCoAlO2 أو NCA) ،فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) وتيتانات الليثيوم (Li4Ti5O12).

أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2) طاقته المحددة العالية تجعل أكسيد الكوبالت الليثيوم خيارًا شائعًا للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات الرقمية.تتكون البطارية من كاثود أكسيد الكوبالت وآندو الكربون الجرافيتالكاثود له بنية طبقات، خلالها يتحرك أيونات الليثيوم من الأندود إلى الكاثود، وتتدفق عملية الشحن في الاتجاه المعاكس. الكاثود له بنية طبقات.أثناء التفريغ، يتحرك أيونات الليثيوم من الأقطاب إلى الكاثود؛ تدفق من الكاثود إلى الأقطاب أثناء الشحن. عوائب أكسيد الكوبالت الليثيوم هي حياتها القصيرة نسبيا،استقرار حراري منخفض وقدرة حمولة محدودة (القوة المحددة)مثل بطاريات الليثيوم أيون الكوبالت الهجينة الأخرى ، يستخدم أكسيد الليثيوم الكوبالت أنود الجرافيت ، ويتم تقييد عمر دورته بشكل رئيسي من خلال واجهة الكهربائي الصلب (SEI) ،ينعكس بشكل رئيسي في الخصب التدريجي لفيلم SEI، وطبقة الليثيوم في عملية الشحن السريع أو عملية شحن درجة الحرارة المنخفضة. تضيف أنظمة المواد الحديثة النيكل والمغانز و / أو الألومنيوم لتحسين الحياة ،القدرة على الحمل وخفض التكاليفيجب أن لا يتم شحن أكسيد الكوبالت الليثيوم وتفريغها عند تيار أعلى من السعة. وهذا يعني أن البطاريات 18،650 مع400mAh يمكن شحنها وتفريغها فقط عند أقل من أو تساوي 2يمكن أن يسبب الشحن السريع القسري أو تطبيق حمولة أعلى من 2400mA ارتفاعًا في درجة الحرارة والإجهاد الزائد. لتحقيق شحن سريع مثالي ، يوصي المصنع بمضاعف الشحن بنسبة 0.8 درجات مئوية أو حوالي 2حلقة حماية البطارية تحد من معدلات شحن وتفريغ وحدة الطاقة إلى مستوى أمان حوالي 1C.

تم نشر بطارية المنغنيت الليثيوم (LiMn2O4) للبطارية منغنيت الليثيوم سبينيل لأول مرة في عام 1983. في عام 1996، باعت شركة مولي للطاقة بطاريات ليثيوم أيون باستخدام أكسيد الليثيوم المنغنيز كمادة كاتودية.وتشكل الهندسة المعمارية بنية ثلاثية الأبعاد للخيوط التي تحسن تدفق الأيونات على الكهرباء، وبالتالي تقليل المقاومة الداخلية وتحسين القدرة على تحمل التيار. ميزة أخرى للسبينيل هي استقرارها الحراري العالي، وتحسين السلامة،لكن عمر الدراجات والقائمة محدودمقاومة بطارية داخلية منخفضة تمكن من الشحن السريع وتفريغ التيار الكبير. الخلايا من النوع 18650، بطاريات المنغنيت الليثيوم يمكن أن تفريغ في التيار من 20-30A،مع تراكم حرارة معتدليمكن أيضًا تطبيق نبضة تحميل تصل إلى 50A1 ثانية. يؤدي الحمل الكبير المستمر عند هذا التيار إلى تراكم الحرارة ، ولا يمكن أن تتجاوز درجة حرارة البطارية 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت).يستخدم مانغنيت الليثيوم في الأدوات الكهربائية، والأجهزة الطبية، وكذلك المركبات الهجينة والكهربائية النقية.تسمح المهندسون بالانتقال في التصميم باختيار ما يزيد من عمر البطارية، أو لزيادة الحد الأقصى لتيار الحمل (القوة المحددة) أو السعة (الطاقة المحددة). على سبيل المثال ، النسخة طويلة العمر من بطارية 18650 لديها فقط سعة متواضعة تبلغ 1100mAh.النسخة ذات السعة العالية لديها 1،500mAh.

يتم خلط معظم أكسيد الليثيوم المنغنيز مع أكسيد الليثيوم النيكل-المانغنيز الكوبالت (NMC) لزيادة الطاقة المحددة وإطالة العمر. هذا المزيج يوفر أفضل أداء لكل نظام ،ومعظم السيارات الكهربائية، مثل نيسان ليف، شيفروليه فولت، وBMW i3، لديها LMO (NMC). يمكن أن يصل جزء LMO من البطارية إلى حوالي 30٪ ، والتي يمكن أن توفر تيارًا كبيرًا عند التسارع.والجزء NMC يوفر مجموعة طويلةدراسات بطارية ليثيوم أيون تميل إلى الجمع بين أكسيد الليثيوم المنغنيز مع الكوبالت والنيكل والمنجنيز و / أو الألومنيوم كمواد كاتودية نشطة. في بعض الهندسة المعمارية،يتم إضافة كمية صغيرة من السيليكون إلى الأندودهذا يوفر زيادة في السعة بنسبة 25٪؛ ومع ذلك، فإن السيليكون يتوسع ويتقلص مع الشحن والفراغ، مما يسبب الإجهاد الميكانيكي،وغالبا ما ترتبط زيادة القدرة بشكل وثيق مع حياة دورة قصيرةيمكن اختيار هذه المعادن النشطة الثلاثة وتعزيز السيليكون بسهولة لتحسين الطاقة المحددة (القدرة) ، والقوة المحددة (قدرة الحمل) أو الحياة. بطاريات المستهلك تتطلب سعة كبيرة.,في حين أن التطبيقات الصناعية تتطلب أنظمة البطارية ، مع قدرة جيدة على الحمل ، وطول العمر ، وتوفير خدمات آمنة وموثوقة.

واحدة من أنظمة ليثيوم أيون الأكثر نجاحًا من ليثيوم نيكل كوبالت منغنيز منغنيت (LiNiMnCoO2 أو NMC) هي مزيج الكاثود من النيكل نيكل منغنيز الكوبالت (NMC).مماثلة لمغنيت الليثيوم، يمكن تخصيص النظام كبطارية طاقة أو بطارية طاقة. على سبيل المثال ، يحتوي NMC في بطارية 18650 في ظل ظروف الحمل المتوسط على سعة تصل إلى حوالي 2،800mAh ويمكن أن توفر 4A إلى 5A تيار التفريغ؛ يتم تحسين نفس النوع من NMC لطاقة محددة بسعة 2000mAh فقط ، ولكن يمكن أن توفر تيار تفريغ مستمر 20A.ولكن يتم تقليل قدرة الحمل وتقصير عمر الدورةالسيليكون المضاف إلى الجرافيت له عيب، أي أن الأندود تتوسع وتتقلص مع الشحن والفراغ، مما يجعل هيكل الضغط الميكانيكي الكبير للبطارية غير مستقر.سر NMC هو مزيج من النيكل والمانغنيزمثل هذا هو الملح الطاولي، حيث المكونات الرئيسية من الصوديوم والكلوريد هي نفسها سامة، لكنها مختلطة كملحات طعم ومواد الحفاظ على الأغذية.النيكل معروف بطاقته المحددة العالية، ولكنه يحتوي على استقرار ضعيف ؛ يصل هيكل سبينيل المنغنيز إلى مقاومة داخلية منخفضة ولكن طاقة محددة أقل. لهما مزايا متكاملة.NMC هي البطارية المفضلة للأدوات الكهربائية، الدراجات الكهربائية وغيرها من محركات القوة الكهربائية. عادة ما تكون مجموعات الكاثودية ثلث النيكل ، والمنغنيز الثالث والكوبالت الثالث ، والمعروف أيضًا باسم 1-1-1.هذا يوفر خليطًا فريدًا يقلل من تكاليف المواد الخام بسبب انخفاض محتوى الكوبالتكان مزيج آخر ناجح هو NCM ، الذي يحتوي على 5 أجزاء من النيكل ، 3 أجزاء من الكوبالت ، و 2 أجزاء من المنغنيز (5 3-2).يمكن أيضاً استخدام مجموعات أخرى من كميات مختلفة من مواد الكاثودبسبب ارتفاع تكلفة الكوبالت، انتقل مصنعو البطاريات من الكوبالت إلى الكاثود النيكل.وعمر دورة أطول من البطاريات القائمة على الكوبالت، لكنهم لديهم مشاعل أقل قليلا.

فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO 4) في عام 1996 ، وجدت جامعة تكساس أن الفوسفات يمكن استخدامها كمادة كاتودية لبطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن.فوسفات الليثيوم له خصائص كهروكيميائية جيدة ومقاومة منخفضةيتم تحقيق ذلك باستخدام مادة كاثودية من الفوسفات على نطاق نانوي. المزايا الرئيسية هي التيار القياسي العالي وعمر الدورة الطويل؛ الاستقرار الحراري الجيد، وتحسين السلامة وتحمل الإساءة.إذا تم الحفاظ على الجهد العالي لفترات طويلة، فوسفات الليثيوم هو أكثر تحملًا لجميع ظروف الشحن ويكون أقل إجهادًا من أنظمة ليثيوم أيون الأخرى.2 فولت بطارية الجهد الاسمي يجعل الطاقة النوعية أقل من بطاريات ليثيوم أيون الكوبالتبالنسبة لمعظم البطاريات، انخفاض درجات الحرارة يقلل من الأداء، وزيادة درجات حرارة التخزين تقصير عمر الخدمة، وفوسفات الليثيوم ليس استثناء.فوسفات الليثيوم لديه تفريغ ذاتي أعلى من بطاريات ليثيوم أيون الأخرى، والتي يمكن أن تسبب الشيخوخة ومزيد من مشاكل التوازن، والتي يمكن تعويضها باستخدام بطاريات عالية الجودة أو باستخدام أنظمة إدارة بطاريات متقدمة،لكن كلا الطريقتين يزيدان من تكلفة باقة البطاريةعمر البطارية حساس جدا للشوائب في عملية التصنيع، ولا يمكن أن تقاوم تعاطي الماء.بعض البطاريات لديها عمر أدنى من 50 دورة فقط. يجمع الشكل 9 خصائص فوسفات الليثيوم. يستخدم فوسفات الليثيوم عادةً بدلاً من بطاريات البدء الحمضية الرصاصية. أنتجت الخلايا المتسلسلة الأربعة 12.80 فولت،مع جهد مماثل لستة خلايا حمض الرصاص 2 فولت في سلسلةالسيارة تشحن حمض الرصاص إلى 14.40 فولت ((2.40 فولت / بطارية) وتبقى عائمة مشحونة.الغرض من الشحن العائم هو الحفاظ على مستوى الشحن الكامل ومنع الكبريت البطارية الحمضية الرصاص.

بطاريات الليثيوم النيكل الكوبالت الألومينات (LiNiCoAlO2 أو NCA) بطاريات الليثيوم النيكل الكوبالت الألومينات أو NCA تم تطبيقها منذ عام 1999.قوة محددة جيدة جدا وعمر الخدمة الطويل هو مماثل لNMCأقل إطراءً هو الأمن والتكلفة.

تيتانيوم الليثيوم (Li4Ti5O12) بطاريات تيتانيوم الليثيوم المعروفة منذ الثمانينيات من القرن العشرين. يحل تيتانيوم الليثيوم محل الجرافيت في عبارة عن بطارية ليتيم أيون نموذجية.والمواد تشكل بنية سبينيليمكن أن يكون الكاثود من مانغنيت الليثيوم أو NMC. ليتيم تيتانات لديه فولتاج بطارية اسمي 2.40 فولت، والتي يمكن شحنها بسرعة، ويوفر تيار تفريغ عال من 10C.ويقال إن عدد الدورات أعلى من بطاريات ليثيوم أيون التقليديةتيتانات الليثيوم آمن وله خصائص تفريغ ممتازة في درجات الحرارة المنخفضة، حيث يصل إلى 80٪ من السعة عند -30 درجة مئوية (-22 درجة فهرنهايت).لا يوجد تشكيل غشاء SEI ولا توجد ظاهرة ليتيم الكهربائية أثناء الشحن السريع وشحن درجة الحرارة المنخفضة، لذلك لديها أفضل أداء شحن-فراغ من الكوبالت التقليدية مختلطة ليثيوم أيون والغرافيت الأندود. الاستقرار الحراري في درجات الحرارة العالية هو أيضا أفضل من أنظمة ليثيوم أيون الأخرى.لكن، البطاريات مكلفة. الطاقة المحددة منخفضة ، 65Wh / kg فقط ، مقارنة بـ NiCd. يتم شحن التيتانيوم الليثيوم إلى 2.80V و 1.80V عند التفريغ.يظهر الشكل 13 خصائص بطاريات التيتانيت الليثيوم. الاستخدامات النموذجية هي محرك تشغيل كهربائي ، UPS ، وأضواء الشوارع الشمسية. تتمتع NCA بأعلى طاقة محددة ؛ ومع ذلك ،يقدم مانغنيت الليثيوم وفوسفات الليثيوم الحديدي قوة محددة متفوقة واستقرار حراريتيتانيت الليثيوم لديه أفضل عمر الخدمة