ארבעה חומרים מרכזיים לסוללת ליפו 3s מוצרים יבשים!

איך סוללת ליפו 3s מייצרת חשמל?

כאשר סוללת ליפו 3s פועלת, יוני ליתיום משתתפים בתגובה רדוקס להמרת אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית, ולכן סוללת ליפו 3s יכולה לספק אנרגיה חשמלית. מדדי ההערכה של מוצר סוללת ליפו 3s כוללים צפיפות אנרגיה, מחזור חיים, ביצועי קצב (ביצועי פריקה בזרמים שונים), ביצועי בטיחות וטמפרטורה מתאימה.

הרכב העלות של סוללת ליפו 3s

מבחינת מבנה העלות של סוללת ליפו 3s, האלקטרודה החיובית, האלקטרודה השלילית, האלקטרוליט והמפריד הם ארבעת חומרי הגלם המרכזיים, והיחס שלהם בעלות גבוה בהרבה מזה של חומרים אחרים כגון חוטים, מחברים וחומרי מוליכות. זה דומה לסוללת ליפו 3s. עקרון העבודה הבסיסי זהה.

ארבעת החומרים המרכזיים של סוללת ליפו 3s

1. חומר האלקטרודה החיובית של סוללת ליפו 3s

כיום, חומר האלקטרודה החיובית הוא החומר המרכזי של סוללת ליפו 3s, שהוא גורם מפתח בקביעת ביצועי הסוללה. יש לו השפעה ישירה על צפיפות האנרגיה הסופית, המתח, אורך החיים והבטיחות של המוצר. הוא גם החלק היקר ביותר בסוללת ליפו 3s. מסיבה זו, סוללת ליפו 3s נקראת לעיתים על שם חומר האלקטרודה החיובית, כמו סוללת תלת-מרכיב, שהיא סוללת ליפו 3s המשתמשת בחומר התלת-מרכיב כאלקטרודה החיובית.
צפיפות האנרגיה של סוללת ליפו 3s מתייחסת לאנרגיה החשמלית שניתן לשחרר על ידי נפח או מסה ממוצעת של הסוללה. ככל שצפיפות האנרגיה גבוהה יותר, טווח הנסיעה של הסוללה גבוה יותר. מדד זה הוא אחד הבסיסים החשובים לקביעת האם סוללת ליפו 3s זכאית לסובסידיות ממשלתיות.
על צפיפות האנרגיה של סוללת ליפו המאמר הבא מציג בפירוט את שיטת שיפור צפיפות האנרגיה של סוללת ליפו. שותפים מעוניינים יכולים ללחוץ לצפייה:
שיפור צפיפות האנרגיה של סוללת ליתיום פולימר 1200mAh - שיפור צפיפות התא

ההבדל בין חומרי הקתודה השונים ברור, ושדות היישום גם הם שונים. חומרי קתודה נפוצים ניתן לחלק לתחמוצת קובלט ליתיום (LCO), ליתיום מנגן (LMO), ליתיום פוספט ברזל (LFP), וחומרים תלת-מרכיביים (NCM).
1) חומר תחמוצת ברזל ליתיום
תחמוצת קובלט ליתיום היא חומר הקתודה המסחרי הראשון. צפיפות האנרגיה שלה גבוהה מזו של סוללות נטענות כגון ניקל-מתכת הידריד וחומצת עופרת. היא משקפת לראשונה את פוטנציאל הפיתוח של סוללת ליפו 3s, אך היא יקרה מאוד ויש לה מחזור חיים נמוך. היא מתאימה רק למוצרי אלקטרוניקה 3C. למרות שליתיום מנגן יש עלות נמוכה, צפיפות האנרגיה שלה אינה טובה. היא שימשה בתחבורה חשמלית איטית מוקדמת, כמו רכבי סוללה, במידה מסוימת. כיום, היא משמשת בעיקר בכלי עבודה חשמליים ובתחומי אחסון האנרגיה, ונראית לעיתים רחוקות בסוללות כוח.
2) חומר תלת-רכיבי
היתרון המרכזי של חומרים תלת-רכיביים הוא צפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם. תחת אותו נפח ומשקל, חיי הסוללה רחוקים מלפני מסלולי טכנולוגיה אחרים. אך החסרונות שלהם גם מאוד ברורים: בטיחות ירודה, נקודת הצתה נמוכה כאשר נחשפים לזעזועים וסביבה בטמפרטורה גבוהה. במבחני בטיחות אחרונים כגון דקירה וטעינה יתר, שהם חמים יותר, קשה לסוללות תלת-רכיביות בעלות קיבולת גבוהה לעבור את המבחן. זהו החיסרון בביצועי הבטיחות שהגביל תמיד את ההרכבה ההמונית והיישום המשולב של מסלול טכנולוגיית החומר התלת-רכיבי.

ליתיום ברזל פוספט הוא ההפך הגמור מחומרים תלת-רכיביים, עם צפיפות אנרגיה וחיי סוללה ממוצעים, אך בטיחות מצוינת.
מלבד יתרון הבטיחות, גורם מרכזי נוסף מאחורי העלייה המהירה במכירות של ליתיום ברזל פוספט הוא הזול. במשך זמן רב, הסיבה העיקרית לעלות הגבוהה של חומרי הגלם לסוללות תלת-רכיביות (כמעט 90%) היא הביקוש הגבוה לקובלט. קובלט הוא מינרל נדיר, יקר מאוד ובלתי יציב מאוד לכרייה. המחיר משתנה באופן קיצוני. שרשרת האספקה גם מאוד רגישה, מה שעלול להשפיע בקלות על תעשיות בהמשך.
חיי הסוללה של רכב חשמלי טיפוסי עם ליתיום ברזל פוספט הם כ-300~400 ק"מ, המספיקים לענות על צרכי התנועה העירונית. הסוללה התלת-רכיבית אינה יכולה להציג את היתרונות המרכזיים שלה בתרחיש יישום זה.
מונע על ידי הכפלת המניע של עלות ותשתיות, לא מפתיע שיותר ויותר חברות רכב בוחרות במסלול טכנולוגיית ליתיום ברזל פוספט. אפילו ענקית סוללות הכוח CATL, שהחלה עם סוללות תלת-רכיביות, מגדילה במהירות את קיבולת הייצור של סוללות ליפו 3s ברזל פוספט ומספקת סוללות ליפו 3s ברזל פוספט לגרסת חיי הסוללה הסטנדרטית של טסלה מודל 3 המקומית.

עם זאת, פיתוח הסוללות התלת-רכיביות לא נעצר. המגמה ארוכת הטווח של מסלול טכני זה היא להוריד עלויות באמצעות יחס של ניקול גבוה וקובלט נמוך, החומר התלת-רכיבי המכונה ניקול גבוה.
מאמר זה על חומר הקתודה של סוללת ליפו כולל הקדמה מפורטת יותר. שותפים מעוניינים יכולים ללחוץ לצפייה:
הסבר מפורט על חומר הקתודה של סוללת 6s ליפו

2. חומר האלקטרודה השלילית של סוללת ליפו 3s

החומר של האלקטרודה השלילית בסוללת ליפו 3s עשוי מחומרים פעילים, דבקים ותוספים לתערובת דמוית משחה, ואז מורח על שני צידי נייר הנחושת, מיובש ומגולגל, לאחסון ושחרור אנרגיה, המשפיע בעיקר על מחזור חיי ביצועי סוללת ליפו 3s.
בהתאם לחומרים הפעילים בהם משתמשים, חומרי האלקטרודה השלילית יכולים להתחלק לשתי קטגוריות: חומרים מבוססי פחמן וחומרים שאינם מבוססי פחמן:
1) חומרים מבוססי פחמן
חומרים מבוססי פחמן כוללים שני נתיבים: חומרי גרפיט (גרפיט טבעי, גרפיט מלאכותי, וכדורי פחמן מזופאזיים) וחומרים מבוססי פחמן אחרים (פחמן קשה, פחמן רך וגרפן);
2) חומרים שאינם מבוססי פחמן
חומרים שאינם מבוססי פחמן יכולים להתחלק לחומרים מבוססי טיטניום, חומרים מבוססי סיליקון, חומרים מבוססי בדיל, ניטרידים וליתיום מתכתי.
שונה מחומר האלקטרודה החיובית, למרות שלסוללת ליפו 3s יש את אותו מספר נתיבים באלקטרודה השלילית, המוצר הסופי פשוט מאוד, וגרפיט מלאכותי הוא הזרם המרכזי המוחלט. הנתונים מראים כי משלוחי הגרפיט המלאכותי של סין בשנת 2020 יהיו כ-307,000 טון, המהווים 84% מסך משלוחי חומרי האנודה, עלייה נוספת של 5.5 נקודות אחוז לעומת רמת 2019.

בהשוואה לחומרים אחרים, לגרפיט מלאכותי יש ביצועי מחזור טובים, בטיחות מעולה, טכנולוגיה בוגרת, גישה נוחה לחומרי גלם ועלות נמוכה. הוא בחירה אידיאלית.
3) דור חדש של חומרים לאנודה
הבעיה המרכזית של אלקטרודת הגרפיט השלילית היא שהגבול התיאורטי העליון של צפיפות האנרגיה של חומר אלקטרודת הגרפיט השלילית הוא 372mAh/g, בעוד שמוצרי החברות המובילות בתעשייה כבר יכולים להשיג צפיפות אנרגיה של 365mAh/g, קרוב מאוד לגבול התיאורטי, והמרחב לשיפור עתידי מוגבל מאוד. יש צורך דחוף למצוא חלופות לדור הבא.
מבין הדור החדש של חומרים לאנודה, אנודות מבוססות סיליקון הן מועמדות פופולריות. יש להן צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד, ויחס הקיבולת התיאורטי יכול להגיע ל-4200mAh/g, הרבה מעבר לחומרי הגרפיט. עם זאת, כחומר אלקטרודה שלילית, לסיליקון יש גם ליקויים חמורים, והאינטרקציה של יוני ליתיום גורמת להתרחבות ניכרת בנפח, פוגעת במבנה הסוללה וגורמת לירידה מהירה בקיבולת הסוללה.

אחת מהפתרונות הנוכחיים היא שימוש בחומרים מרוכבים של סיליקון-פחמן. חלקיקי סיליקון משמשים כחומר פעיל לספק קיבולת אחסון ליתיום. החלקיקים התקבצו במהלך מחזורי טעינה ופריקה.
בהתבסס על כך, חומרים לאנודה מסיליקון-פחמן נחשבים לנתיב הטכני המבטיח ביותר, ומקבלים בהדרגה את תשומת הלב של חברות בשרשרת התעשייה. דגם 3 של טסלה השתמש בסוללת אנודה מגרפיט מלאכותי עם 10% חומר מבוסס סיליקון, וצפיפות האנרגיה שלה הגיעה בהצלחה ל-300wh/kg, מה שמוביל משמעותית על סוללות המשתמשות בנתיבים טכניים מסורתיים.

עם זאת, בהשוואה לאנודות גרפיט, בנוסף לטכנולוגיית העיבוד הלא בשלה של אנודות סיליקון-פחמן, העלות הגבוהה יותר מהווה גם מכשול. מחיר השוק הנוכחי של חומרי אנודת סיליקון-פחמן עולה על 150,000 יואן לטון, שזה כפול ממחיר חומרי אנודת גרפיט מלאכותית ברמה גבוהה. לאחר ייצור המוני בעתיד, יצרני הסוללות יעמדו בפני בעיות דומות של בקרת עלויות כמו חומרי הקתודה.

3. אלקטרוליט ליתיום פולימר 3s

בליתיום פולימר 3s, האלקטרוליט משמש בעיקר כנשא להיגררות יונית כדי להבטיח את העברת היונים בין האלקטרודות החיובית והשלילית. בטיחות ליתיום פולימר 3s (לגבי בעיות הבטיחות של ליתיום פולימר, מאמר זה מציג אמצעי מניעה לטיפול בבעיות הבטיחות של ליתיום פולימר, והשותפים הזקוקים לכך יכולים לקרוא בעצמם: cnhl 6s lipo battery safety problems and preventive measures), אורך מחזור החיים, קצב הטעינה והפריקה, ביצועים בטמפרטורות גבוהות ונמוכות, צפיפות אנרגיה ומדדים ביצועים אחרים מושפעים במידה מסוימת.

האלקטרוליט מורכב בדרך כלל מחומרי גלם כגון ממס אורגני טהור, מלח ליתיום לאלקטרוליט ותוספים בפרופורציה מסוימת. לפי איכות, איכות הממס מהווה 80%~90%, מלח הליתיום מהווה 10%~15%, והתוספים מהווים כ-5%; לפי עלות, מלח הליתיום מהווה כ-40%~50%, הממס מהווה כ-40%~50%, והתוספים מהווים כ-10% עד 30%.
1) דרישות לאלקטרוליט של ליתיום פולימר 3s
בהשוואה לשלושת החומרים האחרים, ליתיום פולימר 3s דורש את הדרישות המורכבות ביותר לאלקטרוליט וצריך להכיל תכונות שונות:
מוליכות יונית טובה והתנגדות נמוכה להיגררות יונית;
יציבות כימית גבוהה, ללא תגובות צד מזיקות עם חומרי האלקטרודה, אלקטרוליטים, ממברנות וכו';
נקודת ההתכה נמוכה, נקודת הרתיחה גבוהה, ונשאר נוזלי בטווח טמפרטורות רחב;
להמצאה יש יתרונות של בטיחות טובה, תהליך הכנה פשוט, עלות נמוכה, לא רעיל ולא מזהם.
2) אלקטרוליט ליתיום פולימר 3s מרכזי
ליתיום הקספלוורופוספט
כיום, ליתיום הקספלוורופוספט (LiPF6) הוא הממס המלוח הליתיום המרכזי בשל ביצועיו הטובים יותר ועלותו הנמוכה יותר. יש לו מסיסות טובה ומוליכות חשמלית גבוהה בממסים לא מימיים שונים, תכונות כימיות יציבות יחסית, בטיחות טובה וזיהום סביבתי נמוך. עם זאת, החסרונות גם הם ברורים: ליתיום הקספלוורופוספט רגיש ללחות ויש לו יציבות תרמית ירודה. הוא עלול להתחיל להתפרק בטמפרטורה הנמוכה ביותר של 60 מעלות צלזיוס, וביצועי הסוללה יתדרדרו במהירות. אפקט המחזור בסביבה בטמפרטורה נמוכה הוא כללי יחסית, וטווח הטמפרטורות המתאים צר.

בנוסף, לליתיום הקספלוורופוספט דרישות גבוהות מאוד בנוגע לטוהר ויציבות. תהליך הייצור כולל תנאי עבודה קשים כגון טמפרטורה נמוכה, קורוזיה חזקה, ללא מים ואבק, והייצור גם יחסית קשה.
ליתיום ביספלואורוסולפונימיד
מבין הדור החדש של מלחים ליתיום, ליתיום ביספלואורוסולפונימיד (LiFSI) נחשב לתחליף מבטיח לליתיום הקספלוורופוספט. בהשוואה למלחים ליתיום מסורתיים, ל-LiFSI יציבות תרמית גבוהה יותר, ויש לו יתרונות במוליכות חשמלית, אורך מחזור חיים, ביצועים בטמפרטורות נמוכות ועוד.
עם זאת, מוגבל על ידי תהליך הייצור והקיבולת, עלות LiFSI גבוהה מדי, הרבה מעבר לזו של ליתיום הקספלוורופוספט. כדי לשלוט בעלויות, LiFSI משמש עדיין יותר כתוסף אלקטרוליט בשימוש מסחרי בפועל, ולא כמומס מלח ליתיום.
הקדמה מפורטת לאלקטרוליט של סוללת ליפו מוצגת במאמר הבא, והשותפים הזקוקים לכך יכולים להרחיב את הקריאה:
אלקטרוליט לסוללת ליפו Cnhl 6s, פונקציה מעשית ובניית מערכת קלאסית

4. ממברנת סוללת ליפו 3s

מפריד סוללת ליפו 3s הוא סרט דק בין האלקטרודות החיובית והשלילית, המשמש להפרדת האלקטרודות כדי למנוע קצר חשמלי כאשר סוללת ליפו 3s עוברת תגובת אלקטרוליזה. המפריד טבול באלקטרוליט, וישנם מיקרו-נקבים רבים על פני השטח המאפשרים ליוני ליתיום לעבור דרכם. החומר, מספר ועובי המיקרו-נקבים ישפיעו על מהירות מעבר יוני הליתיום דרך המפריד, מה שישפיע על קצב הפריקה, אורך מחזור החיים ומדדים נוספים של הסוללה.

פוליאולפין הוא חומר המפריד הכללי הנוכחי של סוללת ליפו 3s, המספק יציבות מכנית וכימית טובה למפריד סוללת ליפו 3s. הוא מחולק לשלוש קטגוריות: פוליאתילן (PE), פוליפרופילן (PP), וחומרים מרוכבים.
4.1 בחירת חומר ממברנת סוללת ליפו 3s
בחירת חומר הממברנה קשורה לחומר האלקטרודה החיובית. כיום, פוליאתילן משמש בעיקר בסוללת ליפו 3s טרינרית, ופוליפרופילן משמש בעיקר בסוללת ליפו 3s עם פוספט ברזל.
מלבד החומר, לתהליך ההכנה יש גם השפעה מסוימת על ביצועי המפריד.
4.2 טכנולוגיית ייצור ממברנת סוללת ליפו 3s
טכנולוגיית הייצור הנוכחית של מפריד סוללת ליפו 3s מחולקת לשתי קטגוריות: שיטת ייבוש ושיטת רטובה.
4.2.1 תהליך ייבוש ממברנת סוללת ליפו 3s
שיטת הייבוש, הידועה גם כשיטת המתיחה בהיתוך (MSCS), יכולה להתחלק עוד יותר למתיחה חד-צירית ומתיחה דו-צירית. נתיב טכני זה עבר זמן פיתוח ארוך והוא בוגר יותר, ומשמש בעיקר לייצור ממברנות PP. בנוסף, תהליך המתיחה הדו-צירית משמש רק לסוללות זולות עקב ביצועי המוצר הסופי הירודים, ואינו תהליך ההכנה השולט כיום.
לתהליך היבש יש את התכונות של פשטות, עלות נמוכה, וידידותיות לסביבה, אך ביצועי המוצר גרועים יותר, והוא מתאים יותר לסוללות בעלות הספק נמוך וקיבולת נמוכה. כפי שצוין לעיל, לסוללת ליפו 3s עם פוספט ברזל יש את החיסרון של צפיפות אנרגטית נמוכה, ולכן המפריד המשתמש בתהליך היבש משמש בעיקר במסלול טכני זה.

4.2.2 תהליך רטוב של דיאפרגמת סוללת ליפו 3s
התהליך הרטוב, הידוע גם כהפרדת פאזה מונעת תרמית (TIPS), שונה מהתהליך היבש שבו רק סרט הבסיס נמתח. בתהליך הרטוב מצפים את פני סרט הבסיס כדי לשפר את היציבות התרמית של החומר. בהשוואה למוצרים שהוכנו בתהליך יבש, לדיאפרגמה של התהליך הרטוב יש יתרונות ברורים בביצועים. העובי שלה דק יותר, חוזק המתיחה שלה אידיאלי יותר, הנקבוביות שלה גבוהה יותר, יש לה גודל נקבוביות אחיד יותר וקצב כיווץ רוחבי גבוה יותר. בנוסף, חוזק החדירה של המפריד הרטוב גבוה יותר, מה שתורם להארכת חיי הסוללה, ומתאים יותר לכיוון הפיתוח של סוללת ליפו 3s עם צפיפות אנרגטית גבוהה. כיום הוא משמש בעיקר בסוללות טרנריות.
עם זאת, בהשוואה לתהליך היבש, התהליך הרטוב הוא יחסית מורכב, יקר, וגורם לזיהום סביבתי בקלות.
4.3 תהליך רטוב של דיאפרגמת סוללת ליפו 3s מחליף במהירות את התהליך היבש
המגמות המרכזיות הנוכחיות בשוק לחומרי דיאפרגמה מבוססות היטב. מכיוון שהן מתאימות יותר לדרישות הצפיפות האנרגטית הגבוהה של סוללות כוח, הן יכולות להאריך את חיי המחזור של הסוללה, ויכולות להגדיל את קיבולת הפריקה בקצב גבוה של הסוללה. תהליך הרטוב מחליף במהירות את תהליך היבש. הנתונים מראים שבשנת 2017, נתח השוק של מפריד סוללת ליפו 3s בתהליך רטוב עלה על נתח השוק של מפריד בתהליך יבש לראשונה, ובשנת 2018, רק שנה לאחר מכן, נתח השוק עלה עוד ל-65%.
התוכן שלמעלה הוא כל התוכן של ארבעת החומרים המרכזיים של סוללת ליפו 3s שהובאה לכם על ידי CNHL. אני מאמין שאחרי קריאת הטקסט כולו, כולם מבינים שהחלקים העיקריים של עלות סוללת ליפו 3s הם חומר האלקטרודה החיובית, חומר האלקטרודה השלילית, האלקטרוליט ודיאפרגמת סוללת ליפו 3s. מקווה שהתוכן שלמעלה מועיל לכם, אם אתם צריכים לקנות סוללת ליפו 3s, תוכלו להיכנס לחנות המקוונת שלנו: Chinahobbyline כדי לקנות, יש לנו מחסנים בכל רחבי העולם, תוכלו לקנות בביטחון; אם אתם רוצים לקבל מידע נוסף על סוללת ליפו, אנא לחצו למטה:
מערכת ניהול ליפו 6s 6200mah ומערכת SOC ליפו 6s 6200mah