ما هي المواد المحددة المستخدمة في أنظمة بطاريات ليثيوم أيون؟

نظام مواد بطارية ليثيوم أيون معقد ، بدءا من النواة الكهروكيميائية إلى المكونات الهيكلية. يمكن تصنيفه على النحو التالي:

مواد الكاثود

مواد الكاثود هي مصدر أيونات الليثيوم في البطارية، وأدائها يحدد مباشرة كثافة الطاقة البطارية، والتكلفة، والسلامة.يمكن تقسيمها بشكل رئيسي إلى الفئات الثلاث التالية:

1.1 أكسيدات طبقات:هذه المواد عادة ما تكون كثافة الطاقة مرتفعة ولكن الاستقرار ضعيف نسبيا.

1.1.1 أوكسيد الكوبالت الليثيوم، NCM/NCA، والمواد الغنية بالليثيوم على أساس المنغنيز جميعها تنتمي إلى هياكل أكسيد طبقات.

1.1.2 أكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO، LiCoO2): هذه هي المادة المهيمنة في أجهزة الإلكترونيات الاستهلاكية، وتتباهى بمنصة عالية الجهد وكثافة الصنبور العالية،ولكنها مكلفة وأدائها الأمني يحتاج إلى تحسين.

1.1.3 أكسيد الكوبالت النيكل الليثيوم المنجنيز الكوبالت (NCM): مع أداء عام ممتاز ، وهو حاليا الخيار الرئيسي لبطاريات الطاقة. من خلال ضبط نسبة النيكل ، الكوبالت ،والمنغنيز (مثل NCM811 والNCM622 المشتركة)، يمكن تحقيق توازن بين كثافة الطاقة، والتكلفة، ومدة الحياة.

1.1.4 أكسيد الألومنيوم الليثيوم النيكل الكوبالت (NCA، LiNiCoAlO2): كثافة طاقة عالية واستقرار حراري جيد نسبياً؛ يستخدم عادةً في بعض البطاريات الأسطوانية.

1.1.5 غنية بالليثيوم على أساس المنغنيز (xLi2MnO3·(1-x) LiMO2): تعتبر مادة مرشحة لجيل القادم من الكاثودات عالية الكثافة الطاقة، والتي تمتلك قدرة محددة عالية للغاية؛ ومع ذلك،تدهور الجهد و ضعف أداء المعدل هي تحديات لتسويقها.

1.2 هيكل الزيتون:تمثلها فوسفات الحديد الليثيوم (LFP ، LiFePO4) ، يؤدي هيكلها المستقر إلى سلامة عالية للغاية وعمر دورة طويلة للغاية ، بتكلفة منخفضة نسبيًا ،مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في المركبات الكهربائية ومحطات توليد الطاقة لتخزين الطاقة حيث متطلبات السلامة عالية للغايةمشتقها، الليثيوم المنغنيز الفوسفات الحديدي (LMFP) ، يحاول تحسين كثافة الطاقة مع الحفاظ على السلامة.

1.3 هيكل العقدة:يشير بشكل رئيسي إلى أكسيد الليثيوم المنغنيز (LMO ، LiMn2O4) ، والتي تتميز بتكلفة منخفضة وسلامة جيدة ، ولكن مع أداء دورة درجة حرارة عالية ضعيفة بشكل عام وكثافة الطاقة ،غالباً ما تستخدم مع مواد أخرىيدرس المجتمع الأكاديمي بنشاط أنظمة ذات كثافة طاقة أعلى، مثل كاثودات الكبريت والكاثودات العضوية، ولكن جميعها تواجه تحديات أساسية مثل عمر الدورة.

مواد الأندود

مواد الأنود هي حاملات لتخزين أيونات الليثيوم ، وتؤثر أدائها بشكل مباشر على قدرة البطارية على الشحن السريع وعمر الدورة.

2.1 المواد القائمة على الكربون:يحمل حالياً مكانة مهيمنة

2.1.1 الجرافيت: أصبح منتشراً بسبب استقرار دورته الممتازة ومزايا التكلفة ، وينقسم إلى الجرافيت الطبيعي والجرافيت الاصطناعي.

2.1.2 الكرات المجهرية الكربونية الميزوفازية (MCMB) هي أيضا منتج جرافيت رفيع المستوى.

2.1.3 الكربون غير المنظم: يشمل الكربون الصلب والكربون الناعم، من بينها الكربون الصلب، بسبب بنيته المسامية الفريدة،يعتبر مادة محتملة لبطاريات الأيونات الصوديومية والمنطقات الهيدروجينية لليثيوم.

2.1.4 أنابيب الكربون النانوية (CNTs) / الجرافين: عادة لا تستخدم كمنشط رئيسي، ولكن بدلا من ذلك كإضافة موصلة لتحسين موصلة الكهرباء وأداء السرعة.

2.2 مواد على أساس السيليكون:معترف بها على نطاق واسع كمواد الأندود الجيل القادم. قدرتها النظرية النوعية تصل إلى 4200 mAh / g، أكثر من 10 أضعاف من الجرافيت.توسع الحجم الهائل (أكثر من 300٪) يؤدي إلى حياة دورة سيئة، وهو التحدي الرئيسي للتسويق. المواد المركبة السيليكون الكربون (Si-C) والسيليكون الأكسجين (Si-O) هي الحل الرئيسي حاليا.

2.3 تيتانات الليثيوم (LTO، Li4Ti5O12):مشهورة بأدائها الممتاز في السرعة وعمر دورة طويلة جداً، ولا يوجد تقريباً تشكيل ليتيم دندريت، مما يؤدي إلى سلامة عالية للغاية.العيوب هي انخفاض كثافة الطاقة وارتفاع التكلفة، مما يحد من استخدامه لتطبيقات خاصة مع متطلبات طاقة عالية.

2.4 المعدن الليثيوم:كـ "الكأس المقدسة" لمواد الأندودمن الناحية النظرية ، فإنه يمتلك أعلى قدرة محددة وهو أمر حاسم لتحقيق بطاريات ذات كثافة طاقة عالية (مثل بطاريات الليثيوم والكبريت والبطاريات الصلبة)ومع ذلك، فإن نمو دندريت الليثيوم غير المنضبط يشكل خطراً خطيراً على السلامة.بينما لا تزال قيد التطوير، توفر إمكانيات عديدة للاكتشافات التكنولوجية المستقبلية.

III. الالكتروليت

المنتج الكهربائي هو "الطريق السريع" لنقل أيونات الليثيوم بين الأقطاب الإيجابية والسلبية ، وتحديد الموصلات الأيونية للبطارية ، ومجموعة درجات الحرارة التشغيلية ، وما إلى ذلك.

3.1 الالكتروليت السائل (الكتروليت):الأكثر استخدامًا في بطاريات الليثيوم التجارية ، ويتم الترحيب بها على أنها "الدم" للبطارية وتتكون أساسًا من ثلاثة أجزاء.

ملح الليثيوم: يوفر أيونات الليثيوم وهو المكون الأساسي. ليثيوم هيكسافلوروفوسفات (LiPF6) هو ملح الليثيوم الأكثر استخدامًا بسبب أدائه العام الممتاز.مثل LiBF4 و LiFSI، غالبا ما تستخدم كمضافات لتحسين خصائص الأداء المحددة.

المذيب العضوي: يستخدم لحل أملاح الليثيوم. الكربونات الدورية عالية الثابتة للكهرباء (مثل EC و PC) وكربونات السلسلة منخفضة اللزوجة (مثل DMC و DEC ،وEMC) عادة ما تستخدم في تركيبة لتحسين الأداء.

المواد الإضافية الوظيفية: تستخدم بكميات صغيرة ولكنها تلعب دورًا حاسمًا ، مثل المواد الإضافية التي تشكل الأفلام (VC و FEC) ، والمواد الإضافية المقاومة للاحتراق ، والمواد الإضافية التي تحمي الإفراط ،لتحسين سلامة البطارية وعمر الدورة.

3.2 الالكتروليت الصلب:جوهر البطاريات الصلبة، قادرة من الناحية النظرية على حل قضايا السلامة تماما مثل التسرب والاحتراق.ولكن جميعها تواجه حاليا تحديات من انخفاض الموصلات الأيونية وارتفاع عائق الواجهة.

IV. جهاز الفصل

الفاصل هو فيلم عازل مسامق يقع بين الأقطاب الإيجابية والسلبية.وظيفتها هي منع الاتصال المباشر والدائرة القصيرة بين الإلكترودين مع السماح لأيونات الليثيوم بالمرورفي الوقت الحالي ، يعد التيار الرئيسي هو غشاء البوليوليفين الميكروبوروس ، بما في ذلك البولي إيثيلين (PE) ، البولي بروبيلين (PP) ، وغشاء PP / PE / PP المركب ثلاثي الطبقات. لتحسين السلامة والأداء ،غالبًا ما يتم تعديل الفيلم الأساسي عن طريق الطلاء، مثل المواد السيرامية (مثل الألومينا ، البوهميت ، لتحسين مقاومة الحرارة) أو البوليمرات (مثل PVDF ، الأراميد ، لتحسين الالتصاق).

المكونات المساعدة والهيكلية

في حين أن هذه المواد لا تشارك مباشرة في التفاعلات الكهروكيميائية، فهي حاسمة لمعالجة الأقطاب الكهربائية والأداء العام للبطارية.

5.1 مجمع التيار: يستخدم لنقل المادة النشطة وجمع وتوصيل التيار. عادة ما تستخدم ورق الألومنيوم للكهرباء الإيجابية.بينما يستخدم ورق النحاس للكهرباء السلبية. تمثل مجامعات التيار المركبة (على سبيل المثال، الأفلام المركبة بين البوليمر والمعدن) اتجاها جديدا لتحسين السلامة.

5.2 عامل موصل: يتم إضافته إلى خامات الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية لبناء شبكة موصلة بين جزيئات المواد النشطة، مما يحسن من موصلة الأقطاب الكهربائية.وتشمل المواد المستخدمة عادةً أسود الكربون (e(مثل: سوبر بي، أسود الأسيتيلين، أسود كيتجين) ، والغرافيت الموصل، وأنابيب الكربون النانوية (CNT).

5.3 الملصق: يلتصق بشكل آمن بالمادة النشطة والمواد الموصلة إلى جهاز جمع التيار. عادة ما تستخدم دبابة الأقطاب الإيجابية PVDF (تتطلب المذيب العضوي NMP) ،في حين أن السائل الكهربائي السلبي يستخدم عادة مواد ربط على أساس الماء، مثل مزيج من SBR و CMC.

5.4 الأجزاء الهيكلية والغلافية: توفير الدعم الميكانيكي وحماية الختم.

الغلاف:وتشمل الأنواع الشائعة غلاف الألومنيوم، وغلاف الصلب، وفيلم الألومنيوم البلاستيكي (للبطاريات الكيس).

علامات التبويب/الموصولات:عادةً أشرطة الألومنيوم (الكترود الإيجابي) وأشرطة النيكل / أشرطة النيكل المطلية بالنحاس (الكترود السلبي).

عناصر السلامة والعزل:يتضمن أغطية، أوراق عازلة، صمامات مضادة للانفجار، محطات معدل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) ، إلخ، لضمان سلامة البطارية في ظل الظروف غير الطبيعية.