معرفی انواع باتری لیتیوم یون

انواع باتری لیتیوم یون کدام است؟ باتری لیتیوم یون انواع متفاوتی دارد که قصد داریم در این مقاله آن را بررسی و جزییات و مشخصات هر کدام را به صورت جداگانه معرفی کنیم.

باتری لیتیوم یون

لیتیوم یون به دلیل مواد فعال آن نام‌گذاری شده است. کلمات یا به طور کامل نوشته شده یا توسط نمادهای شیمیایی آن‌ها کوتاه شده‌اند. یک سری حروف و اعداد بهم پیوسته به سختی قابل یادآوری هستند و تلفظ آن‌ها حتی دشوارتر است. بنابراین نام باتری نیز با حروف اختصاری مشخص می‌شود.

به عنوان مثال، اکسید کبالت لیتیوم، یکی از رایج‌ترین یون های لیتیوم، دارای نمادهای شیمیایی LiCoO2 و مخفف LCO است. به همین سادگی، از فرم کوتاه Li-kobalt نیز می‌توان برای این باتری استفاده کرد. کبالت اصلی ترین ماده فعال است که در این باتری به کار رفته است. سایر انواع لیتیوم یون نیز نام‌های کوتاه فرم مشابهی داده شده است. در این بخش شش مورد از رایج ترین باتری های لیتیوم یون ذکر شده است.

با انواع باتری لیتیوم یون آشنا شوید

باتری های لیتیوم یون را می توان برای ظرفیت مطلوب با اشکال در بارگذاری محدود، شارژ آهسته و کاهش طول عمر طراحی کرد. باتری صنعتی ممکن است دارای درجه متوسطی از Ah باشد. اما تمرکز آن بر دوام آن است. انرژی خاص فقط بخشی از عملکرد باتری را فراهم می کند.

انواع باتری لیتیوم کبالت اکسید (LiCoO2)- LCO

انرژی ویژه بالای آن Li-cobalt را به گزینه محبوب تلفن‌ همراه، لپ تاپ و دوربین های دیجیتال تبدیل کرده است. این باتری از یک کاتد اکسید کبالت و یک آند کربن گرافیت تشکیل شده است. کاتد دارای ساختار لایه ای است و در هنگام تخلیه، یون های لیتیوم از آند به کاتد منتقل می‌شوند. جریان در حالت شارژ معکوس می‌شود. عیب Li-kobalt عمر نسبتاً کوتاه، پایداری حرارتی کم و قابلیت بار محدود (توان ویژه) است. شکل زیر ساختار این باتری را نشان می دهد.

عیب Li-kobalt این است که یک عمر نسبتاً کوتاه دارد و پایداری حرارتی آن کم و دارای قابلیت بار محدود (توان ویژه) است. مانند دیگر Li-ion مخلوط کبالت، Li-kobalt دارای یک آند گرافیت است که با تغییر رابط الکترولیت جامد (SEI)، ضخیم شدن روی آند و آبکاری لیتیوم باعث ضخیم شدن عمر سیکل آن در هنگام شارژ سریع و شارژ در دمای پایین می شود. سیستم‌های جدید شامل نیکل ، منگنز و / یا آلومینیوم برای بهبود طول عمر، قابلیت بارگیری و هزینه است.

باتری لیتیوم کبالت نباید در جریان بالاتر از ضریب تخلیه باتری (C-rating) شارژ و تخلیه شود. این بدان معناست که یک سلول 18650 با 2400 میلی آمپر ساعت فقط در 2400 میلی آمپر می‌تواند شارژ و تخلیه شود. اجبار شارژ سریع یا اعمال بار بالاتر از 2400 میلی آمپر باعث گرم شدن بیش از حد و فشار بی اندازه می‌شود. برای شارژ سریع بهینه، تولید کننده ضریب تخلیه باتری  0.8C یا حدود 2000mA توصیه شده است. مدار اجباری محافظت از باتری، میزان شارژ و دشارژ را تا حدود 1c برای انرژی محدود می‌کند.

گرافیک عنکبوتی شش ضلعی (شکل 2) عملکرد Li-cobalt را از نظر انرژی یا ظرفیت خاص که مربوط به زمان اجرا است پیاده سازی می‌کند. قدرت خاص یا توانایی انتقال جریان بالا؛ ایمنی عملکرد در دمای گرم و سرد؛ طول عمر بالا سیکل شارژ و هزینه پایین سایر ویژگی‌های مناسب این باتری است. در این نمودار عنکبوتی سمی بودن، قابلیت شارژ سریع، تخلیه خودکار و ماندگاری نمایش داده نشده است.

باتری لیتیوم کبالت Li-kobalt کم کم جای خود را به لیتیوم منگنز Li-manganese می‌دهد اما بیشتر باتری‌های NMC و NCA به دلیل هزینه بالای کبالت و بهبود عملکرد با ترکیب با مواد فعال دیگر کاتد در این حالت قرار دارند.

باتری لیتیوم منگنز اکسید (LiMn2O4)- LMO

لیتیوم یون با اسپینل منگنز برای اولین بار در مجله Research Bulletin در سال 1983 منتشر شد. این ساختار یک ساختار اسپینل سه بعدی را تشکیل می دهد که جریان یون را بر روی الکترود بهبود می بخشد ، که منجر به مقاومت داخلی پایین تر و بهبود عملکرد جریان می شود. مزیت دیگر اسپینل پایداری حرارتی بالا و ایمنی بیشتر است ، اما چرخه و عمر مفید ، محدود است.

مقاومت داخلی پایین سلول امکان شارژ سریع و تخلیه جریان بالا را فراهم می کند. در یک بسته 18650 ، لیتیوم-منگنز را می توان در جریان 20-30A با تجمع گرمای متوسط ​​تخلیه کرد. همچنین می توان پالس های بار ثانیه ای تا 50A را نیز روی این بسته اعمال کرد. بار زیاد و مداوم در این جریان باعث تجمع گرما می شود و دمای سلول نمی تواند بیش از 80 درجه سانتیگراد (176 درجه فارنهایت) باشد. باتری لیتیوم منگنز برای ابزارهای برقی ، وسایل پزشکی و همچنین وسایل نقلیه هیبریدی و برقی استفاده می‌شود.

شکل زیر شکل گیری یک چارچوب کریستالی سه بعدی روی کاتد باتری لیتیوم-منگنز را نشان می دهد. این ساختار اسپینل ، که معمولاً از اشکال الماس متصل به شبکه تشکیل شده است ، پس از شکل گیری اولیه ظاهر می شود. لیتیوم منگنز ظرفیتی تقریباً یک سوم پایین تر از باتری لیتیوم کبالت دارد. انعطاف پذیری طراحی به مهندسین این امکان را می دهد تا باتری را برای دوام مطلوب (طول عمر( ، حداکثر جریان بار (قدرت خاص( یا ظرفیت بالا (انرژی خاص) به حداکثر برسانند. به عنوان مثال ، نسخه باتری با طول عمر مفیدتر در سلول 18650 دارای ظرفیت متوسط ​​تنها 1،100mAh است اما نسخه با ظرفیت بالا 1500 میلی آمپر ساعت است.

شکل زیر شبکه عنکبوت یک باتری لیتیوم منگنز را نشان می دهد. خصوصیات آنچنان برجسته نیستند اما از نظر قدرت خاص ، ایمنی و طول عمر ، طراحی های جدید بهبود یافته اند. باتری های لیتیوم منگنز خالص امروزه دیگر پرکاربرد نیستند و ممکن است برای برنامه های خاص استفاده شوند.
بیشتر باتری های لیتیوم منگنز با اکسید کبالت منگنز لیتیوم نیکل (NMC) مخلوط می شوند تا انرژی خاص بیشتری ارائه دهند و طول عمر بالاتری داشته باشند. این ترکیب بهترین ها را در هر سیستم به ارمغان می آورد و LMO (NMC) برای اکثر وسایل نقلیه الکتریکی مانند نیسان لیف ، چوی ولت و BMW i3 انتخاب می شود. قسمت LMO باتری ، که می تواند حدود 30 درصد باشد ، جریان شتاب دهنده را افزایش می دهد. بخش NMC دامنه رانندگی طولانی را ارائه می دهد.

تحقیقات لیتیوم یون به شدت به دنبال ترکیب لیتیوم-منگنز با کبالت ، نیکل ، منگنز و / یا آلومینیوم به عنوان ماده کاتدی فعال است. در بعضی از معماری ها مقدار کمی سیلیکون به آند اضافه می شود. این عمل 25 درصد ظرفیت را افزایش می دهد. با این حال ، افزایش معمولاً با یک دوره چرخه کوتاهتر مرتبط است زیرا سیلیسیم رشد می کند و با شارژ و تخلیه کوچک می شود و باعث فشار و کاهش سیکل شارژ خواهد شد.

این سه فلز فعال و همچنین تقویت کننده سیلیکون به راحتی می توانند برای افزایش انرژی خاص (ظرفیت( ، قدرت خاص (قابلیت بار( یا طول عمر بالا انتخاب شوند. در حالی که باتری های مصرفی به دنبال ظرفیت بالایی هستند ، اما در برنامه های کاربردی صنعتی به باتری هایی احتیاج دارند که از قابلیت بارگیری خوبی برخوردار بوده ، دارای ماندگاری طولانی و ارائه خدمات ایمن و قابل اطمینان نیز باشند.

باتری لیتیوم کبالت اکسید نیکل منگنز (LiNiMnCoO2) – NMC

یکی از موفق ترین سیستم های لیتیوم یون ، ترکیب کاتدی نیکل-منگنز-کبالت (NMC( است. مشابه سیستم های Li-manganese ، این سیستم ها می توانند متناسب با سلول های انرژی یا سلول پیل طراحی شوند. به عنوان مثال ، NMC در یک سلول 18650 با شرایط بار متوسط ​​دارای ظرفیت حدود 2800 میلی آمپر است و می تواند 4A تا 5A بار را تحویل دهد باتری NMC در همان سلول بهینه شده برای توان ویژه فقط حدود 2000 میلی آمپر ساعت ظرفیت دارد اما جریان تخلیه مداوم 20A را ارائه می دهد. یک آند مبتنی بر سیلیکون به 4000 میلی آمپر ساعت و بالاتر می رود اما با کاهش توانایی بارگیری و عمر چرخه کوتاه تر روبرو است. سیلیکون اضافه شده به گرافیت این نقص را دارد که آند رشد می کند و با بار و تخلیه کوچک می شود و سلول را از نظر مکانیکی ناپایدار می کند.

راز NMC در ترکیب نیکل و منگنز نهفته است. تشبیه این مورد مثل نمکی است که در غذا میریزیم که در آن مواد اصلی ، سدیم و کلراید ، به خودی خود سمی هستند اما مخلوط کردن آنها به عنوان نمک چاشنی و نگهدارنده غذا عمل می کند. نیکل به دلیل انرژی خاص بالا اما پایداری ضعیف شناخته شده است. منگنز از مزایای تشکیل ساختار اسپینل برای دستیابی به مقاومت داخلی کم برخوردار است اما انرژی ویژه کمی را ارائه می دهد. ترکیب فلزات باعث افزایش نقاط قوت یکدیگر می شوند.

محصول NMC باتری انتخابی برای ابزارهای برقی ، دوچرخه های الکترونیکی و سایر نیروگاه های الکتریکی است. ترکیب کاتد معمولاً یک سوم نیکل ، یک سوم منگنز و یک سوم کبالت است که با عنوانین 1-1-1 نیز شناخته می شود. کبالت گران است و از نظر محدودیت عرضه می شود. تولیدکنندگان باتری با برخی مصالحه در عملکرد ، میزان کبالت را کاهش می دهند. یک ترکیب موفق NCM532 با 5 قسمت نیکل ، 3 قسمت کبالت و 2 قسمت منگنز است. سایر ترکیبات NMC622 و NMC811 است. کبالت باعث تثبیت نیکل ، ماده فعال با انرژی بالا می شود

الکترولیت ها و مواد افزودنی جدید امکان افزایش شارژ را به 4.4 ولت در سلول و بالاتر برای تقویت ظرفیت می دهند. شکل زیر مشخصات NMC را نشان می دهد.
در اینجا یک تغیییر در باتری Li-ion مخلوط NMC وجود دارد زیرا سیستم می تواند از نظر اقتصادی ساخته شود و عملکرد خوبی را به دست می آورد. سه ماده فعال نیکل ، منگنز و کبالت می توانند به راحتی مخلوط شوند و متناسب با طیف گسترده ای از برنامه ها برای سیستم های ذخیره سازی خودرو و انرژی (ESS) باشند که نیاز به دوچرخه سواری مکرر دارند. خانواده NMC از نظر تنوع در حال رشد است.

لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) – LFP

در سال 1996 ، دانشگاه تگزاس (و سایر مشارکت کنندگان( فسفات را به عنوان ماده کاتدی برای باتری های لیتیوم قابل شارژ کشف کردند. لییتیوم فسفات عملکرد الکتروشیمیایی خوبی با مقاومت کم ارائه می دهد. این امر با مواد کاتدی فسفات در مقیاس نانو امکان پذیر است. از مزایای کلیدی آن می توان به امتیازدهی بالای جریان و دوام طولانی مدت ، علاوه بر ثبات حرارتی خوب ، افزایش ایمنی و تحمل در صورت سو استفاده اشاره کرد.
لیتیوم-فسفات در برابر شرایط شارژ کامل تحمل بیشتری دارد و اگر برای مدت طولانی در ولتاژ بالا نگه داشته شود نسبت به سایر سیستم های یون لیتیوم فشار بار کمتری دارد. به عنوان یک نمونه، ولتاژ اسمی پایین آن 3.2 ولت / سلول ، انرژی خاص زیر یون لیتیوم-یون مخلوط کبالت را کاهش می دهد. با اکثر باتری ها ، دمای سرد عملکرد را کاهش می دهد و دمای بالا در ذخیره سازی باعث کاهش عمر می شود و باتری لیتیوم فسفات نیز از این قاعده مستثنی نیست. از انواع باتری لیتیوم -فسفات نسبت به سایر باتری های لیتیوم یون تخلیه بیشتری دارد که می تواند با افزایش سن باعث ایجاد تعادل شود. می توان با خرید سلول های با کیفیت بالا و / یا استفاده از الکترونیک کنترل پیشرفته ، که هر دو هزینه بسته را افزایش می دهند ، کاهش یابد. تمیزی در تولید برای طول عمر مهم است. تحمل رطوبت وجود ندارد ، مبادا باتری فقط 50 دوره را تحویل دهد. شکل زیر ویژگی های انواع باتری لیتیوم فسفات را به صورت خلاصه نشان می دهد

از لیتیوم فسفات اغلب برای جایگزینی باتری استارت سیلد اسید استفاده می شود. چهار سلول به صورت سری 12.80 ولت تولید می کنند ، ولتاژی مشابه شش سلول اسیدی سربی 2 ولت در سری. وسایل نقلیه سیلد اسید را به 14.40 ولت (2.40 ولت / سلول( شارژ کرده و یک شارژ اضافی را نیز نگهداری می کنند. شارژ بالایی برای حفظ سطح شارژ کامل و جلوگیری از سولفاتاسیون روی باتری های سیلد اسید اعمال می شود.

با چهار سلول لیتیوم فسفات به صورت سری ، هر سلول در ولتاژ 3.60 ولت قرار دارد که ولتاژ شارژ کامل است. در این مرحله ، شارژ باید قطع شود اما شارژ اضافی هنگام قرار گیری در سیکل ادامه دارد. انواع باتری لییتیوم فسفات نسبت به برخی از شارژهای زیاد تحمل بالایی دارند. با این حال ، نگه داشتن ولتاژ در 14.40 ولت برای مدت طولانی ، همانطور که اکثر وسایل نقلیه در یک سفر طولانی جاده انجام می دهند ، می تواند باعث فساد لیتیوم فسفات شود. زمان نشان خواهد داد که لیتیوم-فسفات به عنوان جایگزین  باتری سیلد اسیدبا یک سیستم شارژ منظم خودرو چقدر با دوام خواهد بود. درجه حرارت سرد همچنین عملکرد لیتیوم یون را کاهش می دهد و این می تواند توانایی حرکتی را تأثیر قرار دهد.

لیتیوم آلومینیم کبالت نیکل اکسید (LiNiCoAlO2( – NCA

باتری لیتیوم آلومینیوم نیکل کبالت اکسید یا NCA ، از سال 1999 برای کاربردهای خاص ساخته شده است. با ارائه انرژی ویژه بالا ، قدرت خاص مناسب و طول عمر طولانی ، شباهت هایی با NMC دارد. دارای ایمنی بیشتر و هزینه پایین تر است. شکل زیر شش ویژگی اصلی را به نمایش می گذارد. NCA توسعه بیشتر اکسید نیکل لیتیوم است. افزودن آلومینیوم باعث پایداری بیشتر شیمی می شود.

لیتیوم تیتانات (Li2TiO3) – LTO

باتری های دارای آندهای لیتیوم تیتانات از دهه 1980 شناخته شده اند. لی-تیتانات جایگزین گرافیت در آند یک باتری لیتیوم یون می شود و مواد به صورت ساختار اسپینل در می آیند و کاتد می تواند اکسید منیزیم لیتیوم یا NMC باشد. لیتیتانات ولتاژ سلول اسمی 2.40 ولت دارد ، می تواند سریع شارژ شود و جریان تخلیه بالای 10C یا 10 برابر ظرفیت نامی را ارائه می دهد. گفته می شود تعداد سیکل بیشتر از لیتیم یون معمولی است و انواع باتری لیتیوم -تیتانات ایمن بوده، دارای ویژگی های تخلیه در دمای پایین بسیار عالی است و ظرفیت 80 درصد را در دمای 30 درجه سانتیگراد (-22 درجه فارنهایت( را ارئه می دهد.

انواع باتری لیتیوم تیتانات LTO (معمولاً Li4Ti5O12( در هنگام شارژ سریع و شارژ در دمای پایین نسبت به لیتیوم یون مخلوط کبالت با آند گرافیت با دستیابی به خاصیت فشار صفر ، عدم تشکیل فیلم SEI و بدون آبکاری لیتیوم دارای مزایای بیشتری است. پایداری حرارتی در دمای بالا نیز از سایر سیستم های لیتیوم یون بهتر است. با این حال ، باتری گران است. تنها با 65 وات ساعت / کیلوگرم ، انرژی ویژه کم و رقابت با انرژی NiCd است. انواع باتری لیتیوم تیتانات با 2.80 ولت در سلول شارژ می شود و پایان تخلیه 1.80 ولت در سلول دارد. شکل زیر مشخصات باتری Li-titanate را نشان می دهد. موارد معمول استفاده از پیشرانه های برقی ، یو پی اس و روشنایی خیابان با انرژی خورشیدی است.

باتری هایی که در آینده می بینیم

• حالت جامد لیتیوم یون: انرژی خاص بالا اما بارگیری و ایمنی ضعیف.
• لیتیوم-گوگرد: انرژی خاص بالا اما عمر کم چرخه و بارگذاری ضعیف
• لیتیوم-هوا: انرژی خاص بالا اما بارگیری ضعیف ، برای تنفس به هوای تمیز نیاز دارد و عمر کمی دارد.

در شکل زیرانرژی ویژه سیستم های مبتنی بر سرب ، نیکل و لیتیوم مقایسه شده است. در حالی که لی-آلومینیوم (NCA( با ذخیره ظرفیت بیشتر از سایر سیستم ها برنده آشکار است ، این تنها در مورد انرژی خاص اعمال می شود. از نظر قدرت خاص و پایداری حرارتی ، لی منگنز (LMO) و لی فسفات (LFP( برتر هستند. لی-تیتانات (LTO) ممکن است ظرفیت کمی داشته باشد اما این شیمی از نظر طول عمر بیشتر از باتری های دیگر زندگی می کند و همچنین بهترین عملکرد دمای سرما را دارد. حرکت به سمت پیشرانه الکتریکی ، ایمنی و عمر چرخه بر ظرفیت غلبه خواهد یافت. (LCO مخفف Li-kobalt ، یون لیتیوم اصلی است.)

پایان

انواع باتری های لیتیوم یون را در این مقاله بررسی کردیم. اگر از هرکدام از این نوع باتری ها استفاده می کنید ، می توانید در بخش نظرات معایب و مزایا هر کدام را کامنت کنید.

منابع

باتری یونیورسیتی