פיתוח ומבנה של סוללות ליתיום

סוללת ליתיום היא סוג חדש של סוללה בעלת אנרגיה גבוהה שפותחה בהצלחה במאה ה-20. עם הצעת "ניטרליות פחמן" ו"שיא פחמן", סוללת הליתיום הפכה למוקד תשומת הלב מכל תחומי החיים. היום, CHNL יוביל אתכם להבין את ההתפתחות והמבנה של סוללת הליתיום.

הקדמה לסוללות ליתיום

סוללות ליתיום יכולות להיות מובנות כסוללות המכילות יסודות ליתיום (כולל ליתיום מתכתי, סגסוגות ליתיום, יוני ליתיום, פולימרי ליתיום), וניתן לחלק אותן לסוללות ליתיום מתכת (נדירות מאוד בייצור ושימוש) וסוללות ליתיום (שמשמשות רבות כיום). בגלל האנרגיה הספציפית הגבוהה שלה, המתח הגבוה של הסוללה, טווח טמפרטורות פעולה רחב, וחיי אחסון ארוכים, היא שימשה רבות במכשירים צבאיים ואזרחיים קטנים, כגון טלפונים ניידים, מחשבים ניידים, מצלמות וידאו, מצלמות ועוד, ומחליפה חלקית סוללות מסורתיות.

מקור והתפתחות סוללות הליתיום

בשנות ה-70, M.S. Whittingham מאקסון השתמש בטיטניום סולפיד כחומר אלקטרודה חיובית וליתיום מתכתי כחומר אלקטרודה שלילית ליצירת סוללת הליתיום הראשונה.
ב-1980, J. Goodenough גילה כי תחמוצת קובלט ליתיום יכולה לשמש כחומר קתודה לסוללות ליתיום.

ב-1982, R.R.Agarwal ו-J.R.Selman מהמכון הטכנולוגי של אילינוי גילו כי ליוני ליתיום יש תכונות של החדרת גרפיט, ותהליך זה מהיר והפיך. במקביל, הסכנות הבטיחותיות של סוללות ליתיום העשויות ליתיום מתכתי זכו לתשומת לב רבה. לכן, ניסו להשתמש בתכונות יוני הליתיום החודרים לגרפיט ליצירת סוללות נטענות. האלקטרודה הגרפיטית הראשונה לשימוש יוני ליתיום יוצרה בהצלחה בניסויים במעבדות בל.

ב-1983, M. Thackeray, J. Goodenough ואחרים מצאו כי ספינל מנגן הוא חומר קתודה מצוין, בעל מחיר נמוך, יציבות, מוליכות מצוינת ומוליכות ליתיום. טמפרטורת הפירוק שלו גבוהה, ותכונות החמצון שלו נמוכות בהרבה מאלו של תחמוצת קובלט ליתיום. גם במקרה של קצר חשמלי או טעינה יתר, הוא יכול למנוע סכנת שריפה ופיצוץ.
ב-1991, סוני שחררה את סוללת הליתיום המסחרית הראשונה. לאחר מכן, סוללות הליתיום חוללו מהפכה בעולם האלקטרוניקה הצרכנית.

ב-1996, פאדי ו-Goodenough גילו כי פוספטים עם מבנה אוליבין, כגון פוספט ברזל ליתיום (LiFePO4), טובים יותר מחומרי קתודה מסורתיים, ולכן הפכו לחומרי הקתודה המרכזיים כיום.
סוללות ליתיום (סוללות Li-ion) מפותחות מסוללות ליתיום. לכן לפני שנציג את Li-ion, נציג קודם את סוללות הליתיום. לדוגמה, סוללת כפתור היא סוללת ליתיום. חומר האלקטרודה החיובית בסוללת ליתיום הוא דו תחמוצת מנגן או כלוריד תיוניל, והאלקטרודה השלילית היא ליתיום. לאחר הרכבת הסוללה, יש לה מתח ואינה דורשת טעינה. סוג סוללה זה יכול גם להיטען, אך ביצועי המחזור אינם טובים. במהלך מחזורי הטעינה והפריקה, קל להיווצרות דנדריטים של ליתיום, הגורמים לקצר פנימי בסוללה, ולכן בדרך כלל אסור לטעון סוללה מסוג זה.

לאחר מכן, חברת סוני היפנית המציאה סוללת ליתיום עם חומר פחמן כאלקטרודה שלילית ותרכובת ליתיום כחומר אלקטרודה חיובית. במהלך תהליך הטעינה והפריקה, אין ליתיום מתכתי, אלא רק יוני ליתיום. זו סוללת ליתיום.
בתחילת שנות ה-90, חברת Sony Energy Development מיפן וחברת Moli Energy מקנדה פיתחו בהצלחה סוללות ליתיום-יון חדשות, שאינן רק בעלות ביצועים טובים, אלא גם אינן מזהמות את הסביבה. עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית המידע, מכשירים ניידים ורכבים חשמליים, הביקוש למקורות כוח יעילים גדל במהירות, וסוללות הליתיום הפכו לאחד התחומים הצומחים במהירות.

מבנה סוללת הליתיום

הרכיבים העיקריים של סוללות ליתיום:
(1) אלקטרודה חיובית - חומרים פעילים מתייחסים בעיקר לתחמוצת קובלט ליתיום, מנגן ליתיום, פוספט ברזל ליתיום, ניקלט ליתיום, ניקלט קובלט מנגן ליתיום ועוד. אוסף הזרם המוליך בדרך כלל משתמש בנייר אלומיניום בעובי 10--20 מיקרון;
(2) ממברנה - סרט פלסטיק מיוחד המאפשר ליוני ליתיום לעבור, אך הוא מבודד אלקטרוני. כיום, בעיקר PE ו-PP ושילוביהם. יש גם סוג של ממברנה מוצקה אנאורגנית, כגון ציפוי ממברנת אלומינה שהוא סוג של ממברנה מוצקה אנאורגנית;

(3) אלקטרודה שלילית - החומר הפעיל מתייחס בעיקר לגרפיט, טיטנט ליתיום, או חומר פחמן עם מבנה גרפיט דומה, ואוסף הזרם המוליך בדרך כלל משתמש בנייר נחושת בעובי 7-15 מיקרון;
(4) אלקטרוליט - בדרך כלל מערכת אורגנית, כגון ממס פחמתי מומס עם ליתיום הקספלואורופוספט, וכמה סוללות פולימר משתמשות באלקטרוליט ג'ל;
(5) מארז הסוללה - מחולק בעיקר לשני סוגים: מארז קשיח (מארז פלדה, מארז אלומיניום, מארז ברזל מצופה ניקל וכו') ו-מארז רך (סרט אלומיניום-פלסטיק).

כאשר הסוללה נטענת, יוני ליתיום משתחררים מהאלקטרודה החיובית ומוחדרים לאלקטרודה השלילית, ולהפך בזמן הפריקה. זה דורש שהאלקטרודה תהיה במצב החדרת ליתיום לפני ההרכבה. בדרך כלל, נבחר תחמוצת מתכת מעבר עם פוטנציאל גבוה מ-3V ביחס לליתיום ויציבה באוויר כאלקטרודה חיובית, כגון LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
כחומר לאלקטרודה השלילית, נבחר תרכובת ליתיום הניתנת להחדרה עם פוטנציאל הקרוב ככל האפשר לפוטנציאל הליתיום, כגון חומרים פחמניים שונים כולל גרפיט טבעי, גרפיט סינתטי, סיבי פחמן, פחמן כדורי במצב ביניים, ועוד תחמוצות מתכת, כולל SnO, SnO2, תחמוצת קומפוזיט של טין SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) וכו'.
האלקטרוליט משתמש במערכת ממס מעורב של LiPF6 אתילן קרבונט (EC), פרופילן קרבונט (PC) ודי אתיל קרבונט (DEC) בעל צמיגות נמוכה וקרבונטים אלקיליים אחרים.

הממברנה משתמשת בסרט מיקרופוריני פוליאולפין כגון PE, PP או סרט משולב שלהם, במיוחד ממברנת PP/PE/PP בת שלוש שכבות שיש לה נקודת התכה נמוכה וגם עמידות גבוהה לנקב, מה שמשמש כביטוח תרמי.
המארז עשוי מפלדה או אלומיניום, והרכבת הכיסוי כוללת פונקציות למניעת פיצוץ וכיבוי.
ובכן, זה כל מה שקשור לסוללות ליתיום היום. מאז לידת סוללות הליתיום ב-1970, הן התפתחו במהירות. סוללות הליתיום חדרו לכל היבטי חיינו, ועדיין יש להן פוטנציאל פיתוח עצום בעתיד.
אני מקווה שהתוכן שלמעלה מועיל לכם, מידע נוסף יתעדכן באופן רציף, נתראה במהדורה הבאה.