أنواع الليثيوم أيون

المصدر: https://batteryuniversity.com

يدعى ليثيوم أيون لموادها النشطة. الكلمات إما مكتوبة بالكامل أو مختصرة برموزها الكيميائية. يمكن أن يكون من الصعب تذكر سلسلة من الحروف والأرقام المربوطة ببعضها البعض ، بل وأكثر صعوبة في نطقها ، كما يتم تعريف كيمياء البطاريات بحروف مختصرة.

على سبيل المثال ، أكسيد الليثيوم الكوبالت ، وهو أحد أكثر الليونات شيوعًا ، لديه الرموز الكيميائية LiCoO ₂ واختصار LCO. لدواعي البساطة ، يمكن أيضًا استخدام شكل قصير من Li-cobalt لهذه البطارية. الكوبالت هي المادة الفعالة الرئيسية التي تعطي هذه الشخصية للبطارية. يتم إعطاء أسماء كيميائية أخرى مشابهة لأسماء كيميائية أخرى من Li-ion. يسرد هذا القسم ستة من Li-ions الأكثر شيوعًا. جميع القراءات هي تقديرات متوسطة في وقت الكتابة.

أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO ₂ )

تجعل طاقته الخاصة العالية من Li-cobalt الخيار المفضل للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات الرقمية. تتكون البطارية من كاثود أكسيد الكوبالت وأنود كربون جرافيت. يتميز الكاثود بهيكل الطبقات وأثناء التفريغ ، تتحرك أيونات الليثيوم من الأنود إلى القطب السالب. ينعكس التدفق على الشحن. عيب Li-cobalt هو فترة حياة قصيرة نسبيًا ، واستقرار حراري منخفض وقدرات تحميل محدودة (طاقة محددة). يوضح الشكل 1 البنية.

عيب Li-cobalt هو فترة حياة قصيرة نسبيًا ، واستقرار حراري منخفض وقدرات تحميل محدودة (طاقة محددة). مثل Li-ion من الكوبالت المخلوط ، لدى Li-cobalt أنود جرافيت يحد من دورة الحياة من خلال واجهة متغيرة للكهرباء الصلبة (SEI) ، سماكة على الأنود وطلاء الليثيوم بينما الشحن السريع والشحن عند درجة حرارة منخفضة. وتشمل الأنظمة الجديدة النيكل والمنجنيز و / أو الألومنيوم لتحسين طول العمر وقدرات التحميل والتكلفة.

لا ينبغي شحن Li-cobalt وتفريغه في تيار أعلى من C-rating. هذا يعني أنه يمكن شحن 18650 خلية مع 2،400mAh فقط وتفريغها في 2،400mA. يؤدي فرض رسم سريع أو تطبيق حمولة أعلى من 2،400mA إلى حدوث فرط التسخين والتوتر غير المبرر. للحصول على الشحن السريع الأمثل ، توصي الشركة المصنعة بمعدل C من 0.8C أو حوالي 2000mA. (سي إي BU-402: ما هو معدل C ). تحد دائرة حماية البطارية الإجبارية من معدل الشحن والتفريغ إلى مستوى آمن يبلغ حوالي 1C لخلية الطاقة.

يلخص رسم العنكبوت السداسي الشكل (الشكل 2) أداء Li-cobalt من حيث الطاقة أو السعة المحددة التي تتعلق بوقت التشغيل ؛ قوة محددة أو القدرة على تقديم تيار مرتفع ؛ سلامة؛ الأداء في درجات الحرارة الساخنة والباردة. مدى الحياة يعكس دورة الحياة وطول العمر ؛ والتكلفة . الخصائص الأخرى للاهتمام غير المبين في شبكات العنكبوت هي السمية ، وقدرات الشحن السريع ، والتفريغ الذاتي ومدة الصلاحية. (انظر BU-104c: بطارية المثمن - ما يجعل البطارية بطارية ).

يفقد Li-cobalt لصالح Li-manganese ، لكن بشكل خاص NMC و NCA بسبب التكلفة العالية للكوبالت وتحسين الأداء من خلال المزج مع مواد الكاثود النشطة الأخرى. (انظر وصف NMC و NCA أدناه.)

جدول التلخيص

الجدول 3: خصائص أكسيد الكوبالت الليثيوم.

أكسيد المنغنيز الليثيوم (LiMn ₂ O ₄ )

تم نشر Li-ion مع Spinel المنغنيز لأول مرة في نشرة أبحاث المواد في عام 1983. في عام 1996 ، قامت Moli Energy بتسويق خلية Li-ion مع أكسيد المنغنيز الليثيوم كمواد كاثودية. تشكل الهندسة المعمارية بنية الإسبنيل ثلاثية الأبعاد التي تعمل على تحسين تدفق الأيونات على القطب ، مما يؤدي إلى انخفاض المقاومة الداخلية وتحسين معالجة التيار. وهناك ميزة أخرى للأسبينيل تتمثل في الثبات الحراري العالي والسلامة المعززة ، ولكن الدورة والحياة التقويمية محدودة.

تمكن المقاومة المنخفضة للخلية الداخلية من الشحن السريع والتفريغ العالي الحالي. في حزمة 18650 ، يمكن تفريغ Li-manganese في التيارات من 20-30A مع تراكم حرارة معتدلة. ومن الممكن أيضًا تطبيق نبضات الحمل لمدة ثانية تصل إلى 50 ألف. من شأن الحمل المرتفع المستمر في هذا التيار أن يسبب تراكم الحرارة وأن درجة حرارة الخلية لا يمكن أن تتجاوز 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت). يستخدم لي منغنيز للأدوات الكهربائية والأدوات الطبية ، وكذلك السيارات الهجينة والكهربائية.

يوضح الشكل 4 تشكيل إطار بلوري ثلاثي الأبعاد على كاثود بطارية Li-manganese. هذه البنية الإسبنيل ، والتي تتكون عادة من أشكال الماس المتصلة بشبكة شعرية ، تظهر بعد التكوين الأولي.

تمتلك لي - المنغنيز طاقة أقل بمقدار الثلث تقريبًا من لي كوبالت. تسمح مرونة التصميم للمهندسين بزيادة عمر البطارية إلى أقصى حد ممكن (طول العمر) أو أقصى حمل ممكن (طاقة محددة) أو قدرة عالية (طاقة محددة). على سبيل المثال ، تتميز النسخة طويلة العمر في الخلية 18650 بسعة معتدلة تبلغ 1،100 ميللي أمبير في الساعة فقط ؛ الإصدار ذات السعة العالية هو 1500mAh.

ويبين الشكل 5 شبكة العنكبوت لبطارية ليثيوم المنجنيز النموذجية. تظهر الخصائص هامشية ولكن التصاميم الأحدث قد تحسنت من حيث القوة والسلامة ومدى الحياة. بطاريات Li-manganese الصرفة لم تعد شائعة اليوم. يمكن استخدامها فقط للتطبيقات الخاصة.

تندمج معظم بطاريات Li-manganese مع أكسيد الكوبالت من النيكل المنغنيز الليثيوم (NMC) لتحسين الطاقة المحددة وإطالة العمر الافتراضي. يبرز هذا المزيج الأفضل في كل نظام ، ويتم اختيار LMO (NMC) لمعظم السيارات الكهربائية ، مثل Nissan Leaf و Chevy Volt و BMW i3. يوفر جزء LMO من البطارية ، والذي يمكن أن يكون حوالي 30 بالمائة ، تعزيزًا مرتفعًا حاليًا عند التسارع. الجزء NMC يعطي مجموعة القيادة الطويلة.

ينجذب بحث Li-ion بشكل كبير نحو الجمع بين Li-manganese مع الكوبالت والنيكل والمنجنيز و / أو الألومنيوم كمواد كاثودية نشطة. في بعض العمارة ، يتم إضافة كمية صغيرة من السيليكون إلى الأنود. هذا يوفر زيادة سعة 25 في المئة. ومع ذلك ، يرتبط الكسب عادة بحياة دورة أقصر حيث ينمو السيليكون وينكمش مع الشحن والتفريغ ، مما يسبب الإجهاد الميكانيكي.

ويمكن اختيار هذه المعادن النشطة الثلاثة ، بالإضافة إلى تعزيز السيليكون ، بشكل ملائم لتعزيز الطاقة (السعة) المحددة ، الطاقة المحددة (قدرة التحميل) أو طول العمر. في حين أن البطاريات الاستهلاكية تعمل بكفاءة عالية ، تتطلب التطبيقات الصناعية أنظمة بطاريات تتمتع بقدرات تحميل جيدة ، مما يوفر عمرًا طويلًا ويوفر خدمة آمنة ويمكن الاعتماد عليها.

جدول التلخيص

الجدول 6: خصائص أكسيد المنغنيز الليثيوم.

أكسيد النيكل المنغنيز الكوبالت الليثيوم (LiNiMnCoO ₂ أو NMC)

واحدة من أنجح أنظمة ليثيوم أيون هي مجموعة الكاثود من النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC). على غرار Li-manganese ، يمكن تصميم هذه الأنظمة لتخدم مثل خلايا الطاقة أو خلايا الطاقة . على سبيل المثال ، بطاقة NMC في خلية 18650 لحالة الحمل المعتدلة تبلغ سعتها حوالي 2،800mAh ويمكنها توصيل 4A إلى 5A ؛ NMC في نفس الخلية الأمثل لطاقة محددة لديه القدرة على حوالي 2000mAh فقط ولكن يوفر تيار التفريغ المستمر من 20A. وسوف يذهب الأنود القائم على السيليكون إلى 4000mAh وأعلى ولكن في انخفاض قدرة g loadin وحياة دورة أقصر. ويضيف السليكون إلى الجرافيت عيب أن الأنود ينمو ويتقلص مع الشحن والتفريغ ، مما يجعل الخلية غير مستقرة ميكانيكيا.

يكمن سر NMC في الجمع بين النيكل والمنجنيز. ومن الأمثلة على ذلك هو ملح الطعام ، حيث تكون المكونات الرئيسية ، الصوديوم والكلوريد سامة من تلقاء نفسها ، ولكن خلطها يعمل بمثابة ملح توابل وحافظ على الطعام. يشتهر النيكل بما لديه من طاقة عالية ولكن ثباته ضعيف. المنجنيز له فائدة تشكيل هيكل الإسبنيل لتحقيق مقاومة داخلية منخفضة ولكنه يوفر طاقة محددة منخفضة. الجمع بين المعادن يعزز كل قوة أخرى.

NMC هي البطارية المفضلة للأدوات الكهربائية والدراجات الإلكترونية وغيرها من المحركات الكهربائية. مزيج الكاثود هو عادة ثلث النيكل ، وثلث المنغنيز والثالث الكوبالت ، المعروف أيضا باسم 1-1-1. وهذا يوفر مزيجا فريدا يقلل أيضا من تكلفة المواد الخام بسبب انخفاض محتوى الكوبالت. مزيج آخر ناجح هو NCM مع 5 أجزاء النيكل ، 3 أجزاء الكوبالت و 2 أجزاء المنغنيز (5-3-2). يمكن إجراء تركيبات أخرى باستخدام كميات مختلفة من مواد الكاثود.

يبتعد مصنعو البطاريات عن أنظمة الكوبالت نحو كاثودات النيكل بسبب ارتفاع تكلفة الكوبالت. تتميز الأنظمة القائمة على النيكل بكثافة طاقة أعلى وتكلفة أقل وعمر دورة أطول من الخلايا القائمة على الكوبالت ، ولكنها تتميز بجهد أقل قليلاً.

وتمكّن الإلكتروليتات الجديدة والإضافات من الشحن إلى 4.4 فولت / خلية وأعلى لتعزيز القدرة. يوضح الشكل 7 خصائص NMC.

هناك تحرك نحو Li-ion المدمج مع NMC حيث يمكن بناء النظام اقتصاديًا ويحقق أداءً جيدًا. يمكن بسهولة خلط المواد الثلاثة النشطة من النيكل والمنغنيز والكوبالت لتناسب مجموعة واسعة من التطبيقات لأنظمة تخزين السيارات والطاقة (EES) التي تحتاج إلى ركوب الدراجات بشكل متكرر. عائلة NMC تنمو في تنوعها.

جدول التلخيص

الجدول 8: خصائص أكسيد الكوبالت لنيكل نيكل المنغنيز (NMC).

فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO ₄ )

في عام 1996 ، اكتشفت جامعة تكساس (والمساهمين الآخرين) الفوسفات كمادة كاثودية لبطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن. يقدم لي فوسفات الأداء الكهروكيميائي الجيد مع مقاومة منخفضة. وهذا ممكن بفضل مادة الكاثود الفوسفاتية ذات النطاق النانوي. وتتمثل الفوائد الرئيسية في تقدير التيار العالي ودورة الحياة الطويلة ، إلى جانب الاستقرار الحراري الجيد ، وتعزيز السلامة والتسامح إذا أسيء استخدامها.

فوسفات الليثيوم أكثر تسامحًا مع ظروف الشحن الكامل ، وهو أقل إجهاداً من أنظمة أيونات الليثيوم الأخرى إذا تم إبقاؤه بالجهد العالي لفترة طويلة. (انظر BU-808: كيفية إطالة بطاريات ليثيوم أساس ). كمقايضة ، يقل الجهد الاسمي السفلي 3.2V / خلية الطاقة المحددة أقل من طاقة أيون الليثيوم الممزوج بالكوبالت. مع معظم البطاريات ، تقلل درجة الحرارة الباردة من الأداء ، كما أن درجة حرارة التخزين المرتفعة تقصر من عمر الخدمة ، ولا يعتبر Li-phosphate استثناءًا. فوسفات لي لديه تفريغ ذاتي أعلى من بطاريات Li-ion الأخرى ، والتي يمكن أن تسبب مشاكل التوازن مع الشيخوخة. ويمكن التخفيف من ذلك عن طريق شراء خلايا عالية الجودة و / أو استخدام إلكترونيات تحكم متطورة ، وكلاهما يزيد من تكلفة العبوة. النظافة في التصنيع ذات أهمية بالنسبة لطول العمر. لا يوجد أي تسامح للرطوبة ، خشية أن تقوم البطارية بتسليم 50 دورة فقط. الشكل 9 يلخص خصائص لي فوسفات.

غالبا ما يستخدم لي الفوسفات ليحل محل بطارية بداية حمض الرصاص. أربع خلايا في سلسلة تنتج 12.80V ، وهو جهد مماثل لستة خلايا حمض الرصاص 2V في سلسلة. تشحن المركبات الحمض الرصاصي إلى 14.40 فولت (2.40 فولت / خلية) وتحافظ على الشحن العالي. يتم تطبيق رسوم الإمداد للحفاظ على مستوى الشحن الكامل ومنع الكبريتات على بطاريات حامض l ead.

مع أربع خلايا لي فوسفات في سلسلة ، كل خلية تتصدر 3.60V ، وهو الجهد الكامل الشحن الصحيح. عند هذه النقطة ، يجب فصل الشحن ولكن يستمر الشحن العلوي أثناء القيادة. لي فوسفات متسامحة لبعض فاحش ؛ ومع ذلك ، فإن الإبقاء على الجهد عند 14.40 فولت لفترة طويلة ، كما تفعل معظم المركبات في رحلة طويلة على الطريق ، يمكن أن يضغط على الفوسفات. سيحدد الوقت كيف سيكون Li-Phosphate الدائم كبديل لحمض الرصاص مع نظام شحن السيارة الاعتيادي. درجة الحرارة الباردة أيضا يقلل من أداء أيون ، وهذا يمكن أن يؤثر على قدرة التحريك في الحالات القصوى.

جدول التلخيص

الجدول 10: خصائص فوسفات الحديد الليثيوم.

أكسيد الألومنيوم النيكل الكوبالت الليثيوم (LiNiCoAlO ₂ )

بطارية ليثيوم نيكل أكسيد الكوبالت الليثيوم ، أو NCA ، كانت موجودة منذ عام 1999 للتطبيقات الخاصة. وهي تشترك في أوجه التشابه مع NMC من خلال تقديم طاقة محددة عالية ، وقوة محددة جيدة بشكل معقول وعمر طويل. أقل إغراء هي السلامة والتكلفة. ويلخص الشكل 11 الخصائص الست الرئيسية. NCA هو مزيد من تطوير أكسيد النيكل الليثيوم. إضافة الألومنيوم يعطي الكيمياء المزيد من الاستقرار.

جدول التلخيص

الجدول 12: خصائص أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت والنيكل.

ليثيوم تيتانات (Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ )

البطاريات مع أنود تيتانات الليثيوم معروفة منذ الثمانينيات. يستبدل لي تايتانيت الجرافيت في أنود بطارية ليثيوم أيون نموذجية وأشكال المواد في بنية الإسبينيل. يمكن أن يكون القطب السالب أكسيد المنغنيز الليثيوم أو NMC. Li-titanate لديه جهد خلية اسمية 2.40V ، يمكن شحنه بسرعة ويؤدي تيار تصريف عالي 10C ، أو 10 أضعاف السعة المقدرة. ويقال إن عدد دورة أعلى من ذلك من أيون العادية. Li-titanate آمن ، له خصائص تفريغ درجات حرارة منخفضة ممتازة ويحصل على قدرة 80٪ عند -30 درجة مئوية (-22 درجة فهرنهايت).

يتميز LTO (عادة Li4Ti ₅ O ₁₂ ) بمميزات على Li-ion التقليدي المخلوط بالكوبالت مع أنود الجرافيت عن طريق الحصول على خاصية صفرية الصفرية ، وعدم تشكيل طبقة SEI وعدم وجود طلاء الليثيوم عند الشحن السريع والشحن عند درجة حرارة منخفضة. الاستقرار الحراري تحت درجة حرارة عالية هو أيضا أفضل من غيرها من أنظمة Li-ion. ومع ذلك ، فإن البطارية باهظة الثمن. عند 65Wh / kg فقط ، تكون الطاقة المحددة منخفضة ، مما ينافس طاقة NiCd. يتقاضى Li-titanate 2.80V / cell ، ونهاية التصريف 1.80V / cell. يوضح الشكل 13 خصائص بطارية Li-titanate. الاستخدامات النموذجية هي المحركات الكهربائية ، وإضاءة الشوارع بالطاقة الشمسية.
 

جدول التلخيص

الجدول 14: خصائص تيتانات الليثيوم.

يقارن الشكل 15 الطاقة المحددة للأنظمة القائمة على الرصاص والنيكل والليثيوم. في حين أن Li-aluminium (NCA) هو الفائز الواضح من خلال تخزين سعة أكبر من الأنظمة الأخرى ، فإن هذا ينطبق فقط على الطاقة المحددة. من حيث القوة الاستثنائية والثبات الحراري ، تتفوق منتجات Li-manganese (LMO) و Li-phosphate (LFP). قد تكون Li-titanate (LTO) ذات قدرة منخفضة لكن هذه الكيمياء تفوق معظم البطاريات الأخرى من حيث العمر الافتراضي وأيضا لديها أفضل أداء لدرجة الحرارة الباردة. التحرك نحو توليد القوة الكهربائية والسلامة ودورة الحياة ستحكم الهيمنة على السعة. (LCO لتقف على Li-cobalt ، و li-ion الأصلي.)

اﻟﺷﮐل 15: اﻟطﺎﻗﺔ اﻟﻣﺣددة اﻟﻧﻣوذﺟﯾﺔ ﻟﺑطﺎرﯾﺎت اﻟرﺻﺎص واﻟﻧﯾﮐل واﻟﻟﯾﺛﯾوم.
تتمتع NCA بأعلى طاقة محددة ؛ ومع ذلك ، فإن المنغنيز والفوسفات هما أعلى من حيث القوة والثبات الحراري المحددين. لي تيتانات لديها أفضل عمر.
^{مجاملة من كاديكس}