S-2105 : معرفی انواع باتری لیتیوم یون

S-2105 : معرفی انواع باتری لیتیوم یون

Types of lithium ion

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. از آنجایی که 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. به سایر انواع لیتیوم یون نیز نام‌های کوتاه مشابهی داده شده است. در این مقاله، با شش مورد از رایج ترین باتری های لیتیوم یون آشنا می‌شویم.

با انواع باتری لیتیوم یون آشنا شوید

باتری‌های لیتیوم یون را می‌توان با ظرفیت‌های متفاوت، به شکل‌ها و ابعاد مختلف طراحی کرد. باتری‌های تولید شده ممکن است دارای ظرفیت (AH) متوسط باشند؛ اما عمدتاً تمرکز آن بر دوام آنهاست. بنابراین، تولید انرژی فقط بخشی از عملکرد باتری محسوب می‌شود.

باتری لیتیوم کبالت اکسید (LiCoO2)- LCO

انرژی بالای Li-cobalt آن را به گزینه‌ای محبوب برای 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 لایه‌ای است و در هنگام تخلیه، یون های لیتیوم از آند به کاتد منتقل می‌شوند؛ در حالت شارژ جهت جریان معکوس می‌شود. عیب Li-kobalt عمر نسبتاً کوتاه، پایداری حرارتی کم و قابلیت جریان‌دهی محدود آن است. شکل زیر ساختار این باتری را نشان می دهد.

شکل زیر نمودار عنکبوتی یک باتری لیتیوم منگنز را نشان می دهد. خصوصیات این باتری، چندان برجسته نیستند؛ اما در طراحی‌های جدید، عملکرد باتری‌ها از نظر قدرت، ایمنی و طول عمر، بهبود یافته‌اند. امروزه باتری‌های لیتیوم منگنز خالص دیگر کاربرد چندانی ندارند و فقط برای کاربردهای خاص استفاده می‌شوند.

اکثر باتری‌های لیتیوم منگنز با اکسید کبالت منگنز لیتیوم نیکل (NMC) مخلوط می‌شوند تا هم انرژی بیشتری را ارائه دهند و هم اینکه طول عمر بالاتری داشته باشند. این ترکیب، بهترین ویژگی‌ها را برای باتری به ارمغان می آورد. LMO(NMC)  برای اکثر وسایل نقلیه الکتریکی مانند نیسان لیف، چوی ولت و BMW i3  انتخاب می شود. قسمتLMO  باتری که می تواند حدود 30 درصد باشد، جریان اولیه باتری را افزایش می دهد. بخش NMC جریان ثابت باتری را در طول رانندگی طولانی فراهم می کند.

تحقیقات در مورد لیتیوم یون و در خصوص ترکیب لیتیوم-منگنز با کبالت، نیکل، منگنز و/یا آلومینیوم به عنوان ماده کاتدی همچنان ادامه دارد. به عنوان مثال، در ساخت بعضی از آنها، مقدار کمی سیلیکون به آند اضافه می‌شود. این عمل، ظرفیت باتری را حدود 25 درصد افزایش می‌دهد. با این حال، افزایش ظرفیت معمولاً با چرخه کوتاهتر طول عمر باتری مرتبط است؛ زیرا حجم سیلیسیم در هر بار شارژ و دشارژ افزایش و کاهش می‌یابد و این باعث فشار به بدنه باتری و در نهایت، کاهش عمر مفید آن خواهد شد.

این سه فلز فعال و همچنین تقویت کننده سیلیکون به راحتی می‌توانند برای افزایش انرژی (ظرفیت)، قدرت (قابلیت جریان‌دهی) و طول عمر بالا به کار گرفته شوند. در حالی که شاخص کیفی باتری‌های معمولی (مصرفی) ظرفیت بالای آنها است، اما در کاربردهای صنعتی، به باتری‌هایی احتیاج است که از قابلیت جریان‌دهی خوبی برخوردار باشند؛ دارای ماندگاری طولانی، ایمن و قابل اطمینان باشند.

باتری لیتیوم کبالت اکسید نیکل منگنز (LiNiMnCoO2) – NMC

یکی از موفق‌ترین باتری‌های لیتیوم یون، ترکیب کاتدی نیکل-منگنز-کبالت (NMC) است. مشابه باتری‌هایLi-manganese ، این باتری‌ها 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 میلی‌آمپر ساعت است و می تواند 4A تا 5A را به بار تحویل دهد. باتری NMC در همان سلول بهینه شده فقط حدود 2000 میلی‌آمپر ساعت ظرفیت دارد؛ اما جریان تخلیه مداوم 20A را ارائه می دهد.

ظرفیت باتری‌های مبتنی بر سیلیکون به 4000 میلی‌آمپر ساعت و بالاتر می رسد؛ اما جریان‌دهی آن کمتر بوده و همچنین طول عمر کوتاه‌تری دارد. سیلیکون اضافه شده به گرافیت (آند) این نقص را دارد که حجم آن در هر بار شارژ زیاد شده و در زمان بارگیری و تخلیه کوچک می شود و سلول را از نظر مکانیکی ناپایدار می‌کند.

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، هر کدام بطور جداگانه و به خودی خود سمی هستند؛ اما ترکیب آنها به عنوان نمک چاشنی و نگهدارنده غذا عمل می کند. نیکل به دلیل انرژی بالا اما پایداری ضعیف شناخته شده است. منگنز از مزایای تشکیل ساختار اسپینل برای دستیابی به مقاومت داخلی کم برخوردار است اما انرژی کمی را ارائه می‌دهد. ترکیب این دو فلز در کنار هم، باعث افزایش نقاط قوت یکدیگر می‌شود.

محصول NMC باتری انتخابی برای ابزارهای برقی، دوچرخه‌های الکترونیکی و سایر تجهیزات الکتریکی است. این ترکیب 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 هزینه ساخت محدودیت دارد. تولیدکنندگان باتری با برخی بهینه‌سازی‌ها 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 نیز  NMC622 و NMC811 است. کبالت ماده‌ای فعال با انرژی بالا است که باعث تثبیت نیکل می‌شود.

الکترولیت‌ها و مواد افزودنی جدید، امکان افزایش شارژ را به 4.4 ولت در سلول و حتی بالاتر از آن بمنظور افزایش ظرفیت باتری می دهند. شکل زیر مشخصات NMC را نشان می دهد.

در اینجا یک تغیییر در باتری Li-ion مخلوط NMC وجود دارد. زیرا این باتری می‌تواند همچنان که از عملکرد خوبی برخوردار است، از نظر اقتصادی با هزینه پایین‌تری ساخته شود. سه ماده فعال نیکل، منگنز و کبالت می توانند به راحتی با هم مخلوط شوند و متناسب با طیف گسترده‌ای از ترکیبات برای باتری‌های ذخیره‌سازی خودرو و انرژی(ESS) ، که نیاز به شارژ و دشارژ مکرر دارند به کار گرفته شوند. 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 باتری‌های لیتیوم قابل شارژ کشف کردند. فسفات لیتیوم، عملکرد الکتروشیمیایی خوبی با مقاومت کم ارائه می‌دهد. این امر با مواد کاتدی فسفات در مقیاس نانو امکان پذیر است. از مزایای کلیدی آن می‌توان به جریان‌دهی بالا و دوام طولانی مدت، علاوه بر ثبات حرارتی خوب، افزایش ایمنی و تحمل آن اشاره کرد.

فسفات لیتیوم در شرایط شارژ کامل ماندگاری و پایداری بیشتری دارد؛ اما اگر برای مدت طولانی در ولتاژ بالا نگه داشته شود، نسبت به سایر باتری‌های یون لیتیوم دچار تخلیه خود به خودی بیشتری خواهند شد. در اکثر باتری‌ها، دمای سرد موجب کاهش عملکرد باتری می‌شود و دمای بالای انبارش نیز باعث کاهش عمر باتری خواهد شد.

باتری‌های لیتیوم فسفات نیز از این قاعده مستثنی نیستند. باتری‌های لیتیوم -فسفات نسبت به سایر باتری‌های لیتیوم-یون، تخلیه خود به خودی بیشتری دارند که البته افزایش سن باتری می‌تواند باعث تعدیل این مسئله شود. با خرید سلول‌های با کیفیت بالا یا استفاده از مدارهای کنترلی پیشرفته (که هر دو هزینه زیادی را به همراه دارند) می‌توان بر این مشکل فائق آمد. شکل زیر ویژگی انواع باتری‌های لیتیوم فسفات را به صورت خلاصه نشان می‌دهد.

از باتری‌های لیتیوم فسفات اغلب برای جایگزینی باتری استارت سیلد اسید استفاده می‌شود. چهار سلول به صورت سری 12.80 ولت تولید می کنند، ولتاژی مشابه شش سلول در باتری سرب اسیدی (سلول‌های 2 ولتی سری شده). وسایل نقلیه، باتری سیلد اسید را به 14.40 ولت (2.40 ولت/سلول) شارژ  می‌کنند. شارژ با ولتاژ بالاتر به دلیل حفظ سطح شارژ کامل و جلوگیری از سولفاته شدن باتری‌های سیلد اسید اعمال می‌شود.

در این باتری‌ها، چهار سلول لیتیوم فسفات با هم سری شده‌اند و هر سلول در ولتاژ 3.60 ولت قرار دارد. پس از شارژ شدن کامل، جریان شارژ باید قطع شود؛ اما در برخی از کاربردها، ممکن است اعمال شارژ اضافه توسط شارژر همچنان ادامه داشته باشد. باتری‌های لییتیوم فسفات نسبت به اضافه شارژ 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 می‌دهند، می تواند باعث خرابی باتری لیتیوم فسفات شود. زمان نشان خواهد داد که لیتیوم-فسفات به عنوان جایگزین  باتری سیلد اسید با سیستم شارژ منظم خودرو چقدر با دوام خواهد بود. همچنین سرما و درجه حرارت پایین، عملکرد لیتیوم یون را کاهش می‌دهد و این خود می‌تواند توانایی استارت و حرکتی خودرو را تأثیر قرار دهد.

لیتیوم آلومینیم کبالت نیکل اکسید LiNiCoAlO2 – NCA

باتری لیتیوم آلومینیوم نیکل کبالت اکسید یاNCA ، از سال 1999 برای کاربردهای خاص با ارائه انرژی ویژه و بالا، قدرت مناسب و طول عمر طولانی ساخته شده است. این باتری شباهت‌هایی با NMC داشته و همچنین دارای ایمنی بیشتر و هزینه پایین تر است. شکل زیر شش ویژگی اصلی این نوع باتری را به نمایش می‌گذارد. باتری‌هایNCA ، توسعه یافته باتری اکسید نیکل لیتیوم می‌باشند که افزودن آلومینیوم به آن، باعث پایداری بیشتر سلول شده‌ است.

لیتیوم تیتانات (Li2TiO3) – LTO

باتری‌های دارای آندهای لیتیوم تیتانات از دهه 1980 شناخته شده اند. لی-تیتانات جایگزین گرافیت در آند یک باتری لیتیوم یون می‌باشد. در این باتری‌ها، مواد به صورت ساختار اسپینل در می‌آیند و کاتد می‌تواند اکسید منیزیم لیتیوم یا NMC باشد. ولتاژ نامی سلول در لی-تیتانات2.40 ولت است و می تواند سریع شارژ شود.

این باتری‌ها، جریان تخلیه بالای C10 یا 10 برابر ظرفیت نامی را ارائه می‌دهند. گفته می‌شود تعداد سیکل‌های کارکرد این باتری‌ها بیشتر از لیتیم یون معمولی است. باتری لیتیوم -تیتانات ایمنی بهتری داشته و ویژگی تخلیه در دمای پایین بسیار عالی دارد. این باتری‌ها در دمای 30 درجه سانتیگراد (-22 درجه فارنهایت) می توانند تا 80 درصد ظرفیت خود را ارئه دهند.

باتری هایی که در آینده می بینیم

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

در شکل زیر انرژی باتری‌های مبتنی بر سرب، نیکل و لیتیوم مقایسه شده است. همانگونه که مشاهده می‌شود، در این زمینه، لی-آلومینیوم (NCA) با ظرفیت بیشتر نسبت به سایر باتری‌ها برنده آشکار است.

از نظر قدرت و پایداری حرارتی، لی منگنز (LMO) و لی-فسفات LFPبرتر هستند. لی-تیتانات (LTO) ممکن است ظرفیت کمی داشته باشد، اما این باتری از نظر طول عمر بیشتر از باتری‌های دیگر دوام دارد و همچنین بهترین عملکرد در دمای سرد را دارد.

منبع : باتری یونیورسیتی