סוללות ליתיום הן סוג חדש של סוללה בעלת אנרגיה גבוהה שפותחה בהצלחה במאה העשרים. ניתן להבין אותם כסוללות המכילות יסודות ליתיום (כולל ליתיום מתכתי, סגסוגות ליתיום, יוני ליתיום ופולימרים ליתיום). ניתן לחלק אותם לסוללות מתכת ליתיום (לעיתים רחוקות מיוצרים ומשומשים) ולסוללות ליתיום יון (המשמשות כיום בכמויות גדולות). בשל היתרונות שלה כמו אנרגיה ספציפית גבוהה, מתח סוללה גבוה, טווח טמפרטורות הפעלה רחב וחיי אחסון ארוכים, הם נמצאים בשימוש נרחב במכשירי חשמל קטנים צבאיים ואזרחיים, כמו טלפונים ניידים, מחשבים ניידים, מצלמות וידיאו, מצלמות וכו ', החלפת חלקית סוללות מסורתיות.
מקור ופיתוח סוללות ליתיום-יון
- בשנות השבעים, גב 'ויטינגהאם מאקסון השתמשה בטיטניום סולפיד כחומר האלקטרודה החיובי וליתיום מתכתי כחומר האלקטרודה השלילי כדי להפוך את סוללת הליתיום הראשונה.
- בשנת 1980 גילה ג'יי גודנו כי תחמוצת ליתיום קובלט יכולה לשמש כחומר האלקטרודה החיובי של סוללות ליתיום-יון.
- בשנת 1982 גילו רראגרוואל וג'רסלמן ממכון הטכנולוגיה באילינוי כי ליוני ליתיום יש את המאפיין להיות מוטבע בגרפיט, ותהליך זה מהיר והפוך. במקביל, סכנות הבטיחות של סוללות ליתיום העשויות מליתיום מתכתי משכו תשומת לב רבה, כך שאנשים ניסו להשתמש בתכונות של יוני ליתיום המוטמעים בגרפיט כדי לייצר סוללות נטענות. האלקטרודה הראשונה של ליתיום-יון גרפיט הועלה בהצלחה על ידי מעבדות בל על ידי מעבדות בל.
- בשנת 1983, M.Thackeray, J.Goodenough ואחרים גילו כי ספינל מנגן הוא חומר אלקטרודה חיובי מצוין עם מחיר נמוך, יציבות ומוליכות חשמלית ומוליכות ליתיום מעולה. יש לו טמפרטורת פירוק גבוהה ויכולת החמצון שלה נמוכה בהרבה מזו של תחמוצת ליתיום קובלט. גם אם מתרחשים קיצור או תשלום יתר, זה יכול להימנע מהסכנה של בעירה ופיצוץ.
- בשנת 1989 גילו A.Manthiram ו- J.Goodenough כי האלקטרודה החיובית באמצעות אניונים פולימריים תייצר מתח גבוה יותר.
- בשנת 1991 שחררה סוני את סוללת הליתיום-יון המסחרית הראשונה. בהמשך, סוללות ליתיום-יון חוללו מהפכה במראה של אלקטרוניקה צרכנית.
- בשנת 1996 גילו פאדי וגודנו כי פוספטים עם מבני זית, כמו פוספט ליתיום ברזל (LifePO4), עדיפים על חומרי אלקטרודה חיוביים מסורתיים, ולכן הפכו לחומרי האלקטרודה החיובית המיינסטרים הנוכחית.
סוללות ליתיום-יון (סוללות Li-ion) מפותחות מסוללות ליתיום. אז לפני שנציג את Li-ion, בואו נציג לראשונה סוללות ליתיום. לדוגמה, סוללות כפתור שייכות לסוללות ליתיום. חומר האלקטרודה החיובי של סוללות ליתיום הוא דו תחמוצת המנגן או התיוניל כלוריד, והאלקטרודה השלילית היא ליתיום. לאחר הרכבת הסוללה, לסוללה יש מתח ואינו צריך לטעון. ניתן לטעון גם סוג זה של סוללה, אך ביצועי המחזור אינם טובים. במהלך מחזור הטעינה והפריקה נוצרים בקלות דנדריטים ליתיום, וגורמים למעגלים קצרים פנימיים בסוללה, ולכן בנסיבות רגילות, אסור לסבול סוג זה של סוללה.
מאוחר יותר, חברת סוני מיפן המציאה סוללת ליתיום עם חומר פחמן כאלקטרודה השלילית ותרכובות המכילות ליתיום כאלקטרודה החיובית. בתהליך הטעינה והפריקה, אין ליתיום מתכתי, אלא רק יוני ליתיום. זוהי סוללת ליתיום-יון.
בתחילת שנות התשעים, חברת פיתוח אנרגיה של סוני של יפן וחברת מולי אנרגיה מקנדה בהתאמה פיתחה בהצלחה סוג חדש של סוללת ליתיום-יון, שלא רק בעלת ביצועים טובים אלא גם ידידותית לסביבה. עם התפתחות מהירה של טכנולוגיית מידע, מכונות כף יד ורכבים חשמליים, הביקוש למקורות כוח בעלי יעילות גבוהה גדל באופן דרמטי, וסוללות ליתיום הפכו לאחד השדות הצומחים במהירות.
מבנה ועקרון סוללות ליתיום-יון
(1) רכיבים עיקריים של סוללות ליתיום-יון:
① אלקטרודה חיובית - חומרים פעילים מתייחסים בעיקר לתחמוצת ליתיום קובלט, תחמוצת ליתיום מנגן, ליתיום ברזל פוספט, תחמוצת ניקל ליתיום, תחמוצת מנגן קובלט ניקל וכו '. אספן הזרם המוליך משתמש בדרך כלל בנייר אלומיניום בעובי של {}} מיקרון;
② סרעפת - סרט פלסטיק מיוחד המאפשר ליוני ליתיום לעבור דרכם, אך הוא מבודד לאלקטרונים. נכון לעכשיו, ישנם בעיקר שני סוגים: PE ו- PP ושילובים שלהם. יש גם סוג של דיאפרגמה מוצקה אורגנית, כמו ציפוי סרעפת אלומינה, שהיא סרעפת מוצקה אנורגנית;
③ אלקטרודה שלילית - החומר הפעיל מתייחס בעיקר לחומרי גרפיט, ליתיום טיטנאט או פחמן עם מבנה הדומה לגרפיט. אספן הזרם המוליך משתמש בדרך כלל בסכל נחושת בעובי של 7-15 מיקרון;
④ אלקטרוליט - בדרך כלל מערכת אורגנית, כמו ממיסים קרבונט המומסים עם ליתיום הקספלואורופוספט, וכמה סוללות פולימריות משתמשות באלקטרוליטים של ג'ל;
⑤ מעטפת סוללה - מחולקת בעיקר למעטפת קשה (מעטפת פלדה, מעטפת אלומיניום, מעטפת ברזל מצופה ניקל וכו ') וחבילה רכה (סרט פלסטיק אלומיניום).
כאשר סוללה נטענת, יוני ליתיום מועברים לאלקטרודה החיובית ומוטמעים באלקטרודה השלילית, ולהיפך במהלך הפריקה. זה מחייב אלקטרודה להיות במצב מתבונן ליתיום לפני ההרכבה. באופן כללי, תחמוצות מתכת מעובדות על ידי ליתיום עם פוטנציאל גדול מ- 3V ביחס ליתיום ויציב באוויר נבחרים כאלקטרודות חיוביות, כמו LiCOO2, LINIO2 ו- LIMN2O4.
כחומר האלקטרודה השלילי, נבחרים תרכובות הניתנות לניתוח ליתיום עם פוטנציאל קרוב ככל האפשר לפוטנציאל הליתיום, כגון חומרי פחמן שונים הכוללים גרפיט טבעי, גרפיט סינטטי, סיבי פחמן, ספירוליט מזופאז וכו 'ותחמוצות מתכת, כולל SNO, SNO2, TIN OFSIDE SNBXIDE (x {}}. y =0. 6 ~ 0. 4, z=(2+3 x +5 y)\/2) וכו '.
האלקטרוליט מאמצת מערכת ממס מעורבת של אלקיל קרבונט כמו אתילן פחמתי (EC), פרופילן פחמתי (PC) ודיאתיל קרבונט דלת צמיגה (DEC) של LIPF6.
הסרעפת מאמצת ממברנות מיקרופוריות של פוליאולפין כמו PE, PP או הממברנות המורכבות שלהם, ובמיוחד הסרעפת PP\/PP\/PP שלוש שכבות, אשר לא רק שיש לה נקודת התכה נמוכה, אלא גם בעלת חוזק התנגדות לנקב גבוה, שממלאת תפקיד של ביטוח תרמי.
הקליפה עשויה מפלדה או אלומיניום, ולמכלול הכיסוי יש את הפונקציה של הכוח המוגן לפיצוץ.
(2) עיקרון עבודה בסיסי
בעת טעינה של הסוללה, יוני ליתיום משתחררים מהתרכובת המכילה ליתיום באלקטרודה החיובית, ויוני הליתיום עוברים לאלקטרודה השלילית דרך האלקטרוליט. לחומר הפחמן באלקטרודה השלילית יש מבנה שכבה עם מיקרופוריות רבות. יוני הליתיום המגיעים לאלקטרודה השלילית משובצים במיקרופוריות של שכבת הפחמן. ככל שיוני ליתיום משובצים יותר, כך יכולת הטעינה גבוהה יותר.
בעת פריקת הסוללה (כלומר תהליך השימוש בסוללה), משוחררים יוני הליתיום המוטמעים בשכבת הפחמן של האלקטרודה השלילית ועוברים חזרה לאלקטרודה החיובית. ככל שיוני ליתיום יותר החוזרים לאלקטרודה החיובית, כך יכולת הפריקה גבוהה יותר. מה שאנו מכנים בדרך כלל קיבולת סוללה מתייחס ליכולת הפריקה.
במהלך תהליך הטעינה והפרקה של סוללות ליתיום-יון, יוני ליתיום נמצאים במצב של תנועה מאלקטרודה חיובית → אלקטרודה שלילית → אלקטרודה חיובית. זה כמו כיסא נדנדה, כאשר שני קצוות הכיסא הנדנדה הם שני הקטבים של הסוללה, ויוני ליתיום נעים קדימה ואחורה בשני קצות הכסא הנדנדה. לפיכך, סוללות ליתיום-יון נקראות גם סוללות כיסא נדנדה.
מנגנון טעינה ופריקה
- תהליך הטעינה של סוללות ליתיום-יון מחולק לשני שלבים: שלב טעינה זרם קבוע וזרם מתח קבוע יורד שלב הטעינה.
- טעינת יתר ופריקה של סוללות ליתיום-יון יגרמו נזק קבוע לאלקטרודות החיוביות והשליליות. גיוס יתר גורם למבנה גיליון הפחמן של האלקטרודה השלילית להתמוטט, והקריסה תמנע את הכנסת יוני ליתיום במהלך הטעינה; טעינת יתר גורמת להטמעת יוני ליתיום רבים מדי במבנה הפחמן של האלקטרודה השלילית, מה שגורם לחלק מיוני הליתיום שכבר לא ישוחררו.
- שיטת הטעינה והפרקה הטובה ביותר עבור סוללות ליתיום-יון לשמירה על ביצועים היא טעינה רדודה ופריקה רדודה. באופן כללי, 60% DOD הם פי 2 עד 4 מחיי המחזור בתנאי 100% DOD.
מחווני ביצועים עיקריים לסוללות ליתיום-יון
(1) קיבולת סוללה
ניתן לחלק את הקיבולת של סוללה לקיבולת המדורגת ולקיבולת בפועל. הקיבולת המדורגת של סוללה מתייחסת לכמות החשמל שעל הסוללה לספק כאשר היא משוחררת למתח הסיום בקצב של 5 שעות בטמפרטורת הסביבה של 20 מעלות ± 5 מעלות, ומיוצג על ידי C5. הקיבולת בפועל של סוללה מתייחסת לכמות החשמל בפועל המוזרמת על ידי הסוללה בתנאי פריקה מסוימים, אשר מושפעת בעיקר מקצב הפריקה והטמפרטורה (כך שבאופן קפדני, קיבולת הסוללה אמורה להצביע על תנאי הטעינה והפרקה).
יחידת קיבולת: mah, אה (1ah =1000 mah).
(2) התנגדות פנימית של סוללה
התנגדות פנימית של סוללה מתייחסת להתנגדות שנתקלה בזרם הזורם בסוללה כאשר הסוללה עובדת. זה מורכב משני חלקים: התנגדות פנימית של אוהם והתנגדות פנימית של קיטוב. התנגדות פנימית גדולה של סוללה תוביל למתח פריקה נמוך יותר ולזמן פריקה קצר יותר. גודל ההתנגדות הפנימית מושפע בעיקר מגורמים כמו חומר הסוללה, תהליך הייצור ומבנה הסוללה. התנגדות פנימית של סוללה היא פרמטר חשוב למדידת ביצועי הסוללה.
(3) מתח
מתח מעגל פתוח מתייחס להבדל הפוטנציאלי בין האלקטרודות החיוביות והשליליות של הסוללה כאשר הסוללה אינה עובדת, כלומר כאשר אין זרם זורם במעגל. באופן כללי, מתח המעגל הפתוח של סוללת ליתיום-יון הוא בערך 4. 1-4. 2V לאחר שהוא טעון במלואו, וכ -3. 0 V לאחר השחרור. ניתן לקבוע את מצב הטעינה של הסוללה על ידי איתור מתח המעגל הפתוח של הסוללה.
מתח ההפעלה, המכונה גם מתח המסוף, מתייחס להבדל הפוטנציאלי בין האלקטרודות החיוביות והשליליות של הסוללה כאשר הסוללה במצב עבודה, כלומר כאשר יש זרם זורם במעגל. כאשר הסוללה נמצאת במצב עבודה של הפריקה, כאשר הזרם זורם בסוללה, הוא אינו צריך להתגבר על ההתנגדות הנגרמת על ידי ההתנגדות הפנימית של הסוללה, כך שמתח העבודה תמיד נמוך יותר ממתח המעגל הפתוח, וההפך הוא הנכון בעת טעינה. מתח העבודה של הפריקה של סוללות ליתיום-יון הוא סביב 3.6 וולט.
(4) זמן פלטפורמת הפריקה
זמן פלטפורמת הפריקה מתייחס לזמן הפריקה בו הסוללה טעונה במלואה למתח מסוים. לדוגמה, נמדד זמן פלטפורמת הפריקה של סוללה טרנרית במהירות 3.6 וולט. המתח נטען על 4.2 וולט במתח קבוע, וזרם הטעינה פחות מ- 0. 02C, ואז הטעינה נעצרת, כלומר, לאחר שהסוללה טעונה במלואה ואז היא נותרה למשך 10 דקות. זמן הפריקה בו הוא משוחרר ל- 3.6 וולט בכל זרם פריקה הוא זמן פלטפורמת הפריקה באותו זרם.
מכיוון שלמתח העבודה של כמה מכשירי חשמל המשתמשים בסוללות ליתיום-יון יש דרישות מתח, אם הוא נמוך מהערך הנדרש, הוא לא יעבוד. לפיכך, פלטפורמת הפריקה היא אחד הקריטריונים החשובים למדידת ביצועי הסוללות.
(5) קצב חיוב ושחרור
קצב הטעינה והפריקה מתייחס לערך הנוכחי הנדרש עבור הסוללה כדי לשחרר את יכולתה המדורגת תוך זמן מוגדר. 1C שווה מספרית לקיבולת המדורגת של הסוללה ומיוצג בדרך כלל על ידי האות C. למשל, אם הקיבולת המדורגת הנומינלית של הסוללה היא 1 0 AH, אז 10a הוא 1C (קצב 1), 5A הוא 0.5C, 100A הוא 10C וכן הלאה.
(6) שיעור פריקה עצמית
שיעור הפריקה העצמית, המכונה גם יכולת שמירה על מטען, מתייחס ליכולתה של הסוללה לשמור על כמות החשמל המאוחסנת בסוללה בתנאים מסוימים כאשר הסוללה במצב מעגל פתוח. זה מושפע בעיקר מגורמים כמו תהליך הייצור, החומרים ותנאי האחסון של הסוללה. זהו פרמטר חשוב למדידת ביצועי הסוללה.
(7) יעילות
יעילות הטעינה מתייחסת למדידת המידה בה המרה האנרגיה החשמלית הנצרכת על ידי הסוללה במהלך תהליך הטעינה לאנרגיה הכימית שהסוללה יכולה לאחסן. זה מושפע בעיקר מתהליך הסוללה, הנוסחה וטמפרטורת סביבת העבודה של הסוללה. באופן כללי, ככל שטמפרטורת הסביבה גבוהה יותר, כך יעילות הטעינה נמוכה יותר.
יעילות הפריקה מתייחסת ליחס של כמות החשמל בפועל המוזרמת למתח הטרמינל בתנאי פריקה מסוימים ליכולת המדורגת של הסוללה. זה מושפע בעיקר מגורמים כמו קצב פריקה, טמפרטורת הסביבה והתנגדות פנימית. באופן כללי, ככל שקצב הפריקה גבוה יותר, כך יעילות הפריקה נמוכה יותר. ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, יעילות הפריקה נמוכה יותר.
(8) חיי מחזור
חיי מחזור הסוללה מתייחסים למספר טעינה וזמני הפריקה שסוללה עוברת תחת משטר טעינה ופריקה מסוימים כאשר קיבולת הסוללה יורדת לערך מוגדר מסוים. ה- GB לסוללות ליתיום-יון קובע כי קצב שמירת הקיבולת של סוללה לאחר 500 מחזורים ב- 1C הוא מעל 60%.
סיווגים עיקריים של סוללות ליתיום-יון
① על פי חומרי האלקטרוליטים השונים המשמשים בסוללות ליתיום, ניתן לחלק סוללות ליתיום לשתי קטגוריות: סוללות ליתיום נוזליות (סוללות ליתיום יון, המכונות ליב) וסוללות ליתיום פולימריות (סוללות פולימר ליתיום יון, המכונה שומן).
② לפי שיטת הטעינה, ניתן לחלק אותם לשתי קטגוריות: לא נטענות ונטענות.
Prolody מראה סוללת ליתיום: סוללת ליתיום מרובעת (כגון סוללות טלפונים ניידים נפוצים) וגליליים (כגון 18650, 18500);
④ חומרי אריזת סוללות ליתיום: סוללת ליתיום אלומיניום מעטפת אלומיניום, סוללת ליתיום מעטפת פלדה, סוללת אריזה רכה;
⑤ סוללת ליתיום מחומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים (תוספים): סוללת תחמוצת ליתיום קובלט (LICOO2), תחמוצת ליתיום מנגן (LIMN2O4), סוללת פוספט ליתיום ברזל, מנגן ליתיום ליתיום סוללה ליתיום.
