تطوير وبنية بطاريات الليثيوم

بطارية الليثيوم هي نوع جديد من البطاريات عالية الطاقة التي تم تطويرها بنجاح في القرن العشرين. مع طرح مفهوم "الحياد الكربوني" و"ذروة الكربون"، أصبحت بطارية الليثيوم محور اهتمام جميع القطاعات. اليوم، ستقودكم CHNL لفهم تطور وبنية بطارية الليثيوم.

مقدمة عن بطاريات الليثيوم

يمكن فهم بطاريات الليثيوم على أنها بطاريات تحتوي على عناصر الليثيوم (بما في ذلك الليثيوم المعدني، سبائك الليثيوم، أيونات الليثيوم، بوليمرات الليثيوم)، ويمكن تقسيمها إلى بطاريات الليثيوم المعدني (نادرًا ما تُنتج وتُستخدم) وبطاريات الليثيوم (التي تُستخدم بكثرة اليوم). بسبب طاقتها النوعية العالية، وجهد البطارية العالي، ونطاق درجة حرارة التشغيل الواسع، وطول عمر التخزين، تم استخدامها على نطاق واسع في الأجهزة الكهربائية الصغيرة العسكرية والمدنية، مثل الهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وكاميرات الفيديو، والكاميرات، وغيرها، مما أدى جزئيًا إلى استبدال البطاريات التقليدية.

أصل وتطور بطاريات الليثيوم

في السبعينيات، استخدم M.S. Whittingham من شركة Exxon كبريتيد التيتانيوم كمادة القطب الموجب والليثيوم المعدني كمادة القطب السالب لصنع أول بطارية ليثيوم.
في عام 1980، اكتشف J. Goodenough أن أكسيد الكوبالت الليثيوم يمكن استخدامه كمادة قطب موجب لبطاريات الليثيوم.

في عام 1982، اكتشف R.R.Agarwal وJ.R.Selman من معهد إلينوي للتكنولوجيا أن أيونات الليثيوم تتميز بخاصية التداخل في الجرافيت، وهذه العملية سريعة وقابلة للعكس. في الوقت نفسه، جذبت مخاطر السلامة لبطاريات الليثيوم المصنوعة من الليثيوم المعدني اهتمامًا كبيرًا. لذلك، حاول الناس استخدام خاصية أيونات الليثيوم المدمجة في الجرافيت لصنع بطاريات قابلة لإعادة الشحن. تم إنتاج أول قطب جرافيت ليثيوم أيون قابل للاستخدام بنجاح في مختبرات بيل.

في عام 1983، وجد M. Thackeray وJ. Goodenough وآخرون أن سبينل المنغنيز هو مادة قطب موجب ممتازة، بسعر منخفض، واستقرار، وموصلية ممتازة وموصلية ليثيوم عالية. درجة تحلله عالية، وخصائصه المؤكسدة أقل بكثير من أكسيد الكوبالت الليثيوم. حتى في حالة حدوث دائرة قصيرة أو شحن زائد، يمكنه تجنب خطر الحريق والانفجار.
في عام 1991، أصدرت شركة سوني أول بطارية ليثيوم تجارية. بعد ذلك، أحدثت بطاريات الليثيوم ثورة في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية.

في عام 1996، وجد Padhi وGoodenough أن الفوسفات ذات الهيكل الأوليفيني، مثل فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4)، تتفوق على المواد التقليدية للقطب الموجب، لذا أصبحت المواد الرئيسية الحالية للقطب الموجب.
بطاريات الليثيوم (بطاريات Li-ion) تم تطويرها من بطاريات الليثيوم. لذا قبل تقديم Li-ion، دعونا نقدم أولاً بطاريات الليثيوم. على سبيل المثال، بطارية الخلية الزرية هي بطارية ليثيوم. مادة القطب الموجب في بطارية الليثيوم هي ثاني أكسيد المنغنيز أو كلوريد الثيونيل، والقطب السالب هو الليثيوم. بعد تجميع البطارية، يكون للبطارية جهد ولا تحتاج إلى شحن. يمكن أيضًا شحن هذا النوع من البطاريات، لكن أداء الدورة ليس جيدًا. أثناء دورة الشحن والتفريغ، من السهل تكوين أشواك الليثيوم، مما يؤدي إلى دائرة قصيرة داخلية للبطارية، لذلك بشكل عام، يُمنع شحن هذا النوع من البطاريات.

لاحقًا، اخترعت شركة سوني اليابانية بطارية ليثيوم بمادة كربونية كقطب سالب ومركب يحتوي على الليثيوم كقطب موجب. أثناء عملية الشحن والتفريغ، لا يوجد ليثيوم معدني، فقط أيونات الليثيوم. هذه هي بطارية الليثيوم.
في أوائل التسعينيات، نجحت شركة Sony Energy Development Corporation اليابانية وشركة Moli Energy الكندية في تطوير بطاريات ليثيوم أيون جديدة، والتي لا تقدم أداءً جيدًا فحسب، بل لا تلوث البيئة أيضًا. مع التطور السريع لتكنولوجيا المعلومات، والآلات المحمولة، والمركبات الكهربائية، نما الطلب على مصادر الطاقة عالية الكفاءة بسرعة، وأصبحت بطاريات الليثيوم واحدة من أسرع المجالات نموًا.

بنية بطارية الليثيوم

المكونات الرئيسية لبطاريات الليثيوم:
(1) القطب الموجب - المواد النشطة تشير بشكل رئيسي إلى أكسيد الكوبالت الليثيوم، ومنغنات الليثيوم، وفوسفات الحديد الليثيوم، ونيكلات الليثيوم، ومنغنات النيكل كوبالت الليثيوم، وغيرها. يستخدم جامع التيار الموصل عادة رقائق الألمنيوم بسماكة 10-20 ميكرون؛
(2) الحاجز - فيلم بلاستيكي خاص يسمح بمرور أيونات الليثيوم، لكنه عازل إلكتروني. حاليًا، هناك بشكل رئيسي PE وPP وتركيباتهما. هناك أيضًا نوع من الحواجز الصلبة غير العضوية، مثل حاجز الألومينا المطلي وهو نوع من الحواجز الصلبة غير العضوية؛

(3) القطب السالب - المادة النشطة تشير بشكل رئيسي إلى الجرافيت، أو تيتانات الليثيوم، أو مادة كربونية ذات هيكل مشابه للجرافيت، ويستخدم جامع التيار الموصل عادة رقائق النحاس بسماكة 7-15 ميكرون؛
(4) الإلكتروليت - عادة نظام عضوي، مثل مذيب كربونات مذاب به سداسي فلوروفوسفات الليثيوم، وبعض البطاريات البوليمرية تستخدم إلكتروليت هلامي؛
(5) غلاف البطارية - ينقسم بشكل رئيسي إلى نوعين: غلاف صلب (غلاف فولاذي، غلاف ألومنيوم، غلاف حديد مطلي بالنيكل، إلخ) وغلاف ناعم (فيلم ألومنيوم-بلاستيك).

عند شحن البطارية، تُزال أيونات الليثيوم من القطب الموجب وتُدخل في القطب السالب، والعكس عند التفريغ. يتطلب هذا أن يكون أحد الأقطاب في حالة تداخل ليثيوم قبل التجميع. عادةً ما يُختار أكسيد معدن انتقالي متداخل ليثيوم بجهد أكبر من 3 فولت بالنسبة لليثيوم ومستقر في الهواء كقطب موجب، مثل LiCoO2، LiNiO2، LiMn2O4.
كمادة للقطب السالب، يُختار مركب ليثيوم قابل للتداخل بجهد قريب قدر الإمكان من جهد الليثيوم، مثل مواد كربونية مختلفة تشمل الجرافيت الطبيعي، الجرافيت الصناعي، ألياف الكربون، الكربون الكروي المتوسط الطور، إلخ، وأكاسيد معدنية، بما في ذلك SnO، SnO2، أكسيد مركب القصدير SnBxPyOz (x=0.4～0.6، y=0.6～0.4، z=(2+3x+5y)/2) إلخ.
يستخدم الإلكتروليت نظام مذيب مختلط من LiPF6 كربونات الإيثيلين (EC)، كربونات البروبلين (PC) وكربونات الإيثيلين منخفض اللزوجة (DEC) وغيرها من كربونات الألكيل.

يُستخدم الحاجز فيلم بولي أوليفين مسامي مثل PE، PP أو فيلم مركب منهما، وخاصة الحاجز ثلاثي الطبقات PP/PE/PP الذي لا يتميز فقط بنقطة انصهار منخفضة، بل أيضًا بمقاومة عالية للثقب، مما يلعب دورًا في التأمين الحراري.
الغلاف مصنوع من الفولاذ أو الألومنيوم، وتجميع الغطاء له وظيفة مقاومة الانفجار والفصل الكهربائي.
حسنًا، ما سبق هو كل ما يتعلق ببطاريات الليثيوم اليوم. منذ ولادة بطاريات الليثيوم في عام 1970، تطورت بسرعة. لقد تسللت بطاريات الليثيوم إلى جميع جوانب حياتنا، ولا تزال هناك آفاق تطوير ضخمة في المستقبل.
آمل أن تكون المحتويات أعلاه مفيدة لكم، وسيتم تحديث المزيد من المعلومات باستمرار، أراكم في العدد القادم.