شيء يجب أن تعرفه عن بطارية الليثيوم أيون
مقدمة
بطاريات الليثيوم أيون، التي غالباً ما تُعرف اختصاراً باسم LIBs، هي أجهزة تخزين طاقة قابلة لإعادة الشحن أصبحت المعيار الذهبي لتشغيل مجموعة واسعة من التقنيات الحديثة. من هواتفنا الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة، غيرت بطاريات الليثيوم أيون الطريقة التي نستخدم بها الطاقة الكهربائية ونخزنها. في هذه المقالة، سوف نستكشف الدور المحوري الذي تلعبه الليب في هذه الصناعات، ونقدم فهمًا أفضل لمبادئ وظيفتها وموادها الخام ومزاياها وتطبيقاتها.
[1]
الشكل 1. بطارية ليثيوم أيون
مبادئ تشغيل بطارية الليثيوم أيون
تستخدم بطاريات الليثيوم أيون عملية كهروكيميائية رائعة. فهي تعمل على مبدأ نقل أيونات الليثيوم (Li+) ذهاباً وإياباً بين مكونين أساسيين: الأنود والكاثود. وخلال مرحلة الشحن، يتم استخلاص أيونات الليثيوم من المهبط وتخزينها داخل الأنود، مما يخلق فرقاً في الطاقة الكامنة. في مرحلة التفريغ، عندما توفر البطارية الطاقة، تتدفق هذه الأيونات مرة أخرى إلى الكاثود من خلال محلول إلكتروليت.
[2]
الشكل 2. هيكل بطارية ليثيوم أيون
مواد بطارية الليثيوم أيون
في العملية الكهروكيميائية، يتم اختيار مواد الليثيوم أيون المختلفة بعناية وهندستها لزيادة أداء البطارية وكثافة الطاقة والكفاءة الكلية. فيما يلي المكونات الأساسية لمواد بطارية الليثيوم أيون:
--مواد الأنودات
عادةً ما تكون الأنودات في بطاريات الليثيوم أيون مصنوعة من مواد يمكنها إقحام (امتصاص وإطلاق) أيونات الليثيوم أثناء دورات الشحن والتفريغ. وتشمل مواد الأنود الشائعة الجرافيت والسيليكون.
لالجرافيت هو أكثر مواد الأنود استخداماً في بطاريات الليثيوم أيون التجارية بسبب ثباته وأدائه الكهروكيميائي.
ليمتلكالسيليكون قدرة نظرية أعلى لتخزين الليثيوم مقارنةً بالجرافيت. ومع ذلك، فإن تمدد السيليكون وتقلصه أثناء دورات الليثيون ونزع الليثيوم يمثل تحديات هندسية.
-مواد الكاثود:
الكاثودات هي عنصر حاسم آخر وتحدد جهد البطارية وسعتها. وتختلف مواد الكاثود المختلفة باختلاف الجهد وكثافة الطاقة.
ل تم استخدامأكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2) على نطاق واسع في الجيل الأول من الليبات، خاصة في الإلكترونيات الاستهلاكية. وهو يوفر كثافة طاقة جيدة ولكنه أقل شيوعاً في التطبيقات ذات السعة العالية والطاقة العالية بسبب مخاوف تتعلق بالسلامة والتكلفة.
ليُعرف فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) بسلامته ودورة حياته الطويلة. وغالباً ما يُستخدم في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة حيث تكون السلامة وطول العمر أمران مهمان.
لكاثودات أكسيد المنجنيز والنيكل والكوبالت والليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCM) تستخدمعادةً في بطاريات السيارات الكهربائية. وهي توفر توازناً بين كثافة الطاقة وكثافة الطاقة.
لأكسيد المنجنيز الليثيوم (LMO) يُقدَّر لثباته الحراري وسلامته، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تكون فيها إدارة درجة الحرارة مصدر قلق.
--الإلكتروليت:
الإلكتروليت هو الوسيط الموصل الذي يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بين الأنود والكاثود أثناء الشحن والتفريغ. تشمل الإلكتروليتات الشائعة أملاح الليثيوم المذابة في مذيبات عضوية، ولكن يتم تطوير إلكتروليتات الحالة الصلبة لتحسين السلامة وكثافة الطاقة.
-الفاصل:
الفواصل هي أغشية مسامية تفصل فيزيائياً بين الأنود والكاثود مع السماح بمرور أيونات الليثيوم. وهي عادة ما تكون مصنوعة من البولي إيثيلين (PE) أو البولي بروبلين (PP) وتلعب دوراً حاسماً في منع حدوث دوائر قصيرة وتعزيز السلامة.
مزايا بطاريات الليثيوم أيون
توفر بطاريات الليثيوم أيون العديد من المزايا التي جعلتها الخيار المفضل لمجموعة واسعة من التطبيقات. فيما يلي بعض المزايا الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون.
لالكفاءة: تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بكثافة طاقة عالية، وقابلة لإعادة الشحن، ومعدل تفريغ ذاتي منخفض.
لالمتانة: يمكن أن تعمل الليب بفعالية في نطاق واسع من درجات الحرارة، من درجات الحرارة الباردة تحت الصفر إلى درجات الحرارة العالية. وهي تتمتع بدورة حياة طويلة، مما يعني أنها يمكن أن تخضع للعديد من دورات الشحن والتفريغ قبل أن تتعرض لتدهور كبير في السعة.
لالاستدامة: تنتج الليب انبعاثات أقل ولها بصمة بيئية أقل مقارنة ببعض حلول تخزين الطاقة البديلة.
لالسلامة: تتضمن بطاريات الليثيوم أيون الحديثة ميزات السلامة مثل الحماية الحرارية والحماية من الشحن الزائد وأنظمة إدارة البطارية المدمجة (BMS) لمراقبة وإدارة أداء البطارية وسلامتها.
تطبيقات بطاريات الليثيوم أيون
لقد وضعت هذه المزايا بطاريات الليثيوم أيون كقوة مهيمنة في سوق تخزين الطاقة، مما أدى إلى دفع الابتكارات عبر مجموعة واسعة من التطبيقات:
لالإلكترونيات الاستهلاكية: تعمل بطاريات الليثيوم أيون على تشغيل هواتفنا الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات وعدد لا يحصى من الأجهزة المحمولة الأخرى، مما يوفر مصدر طاقة طويل الأمد وعالي الأداء اللازم لحياتنا المتزايدة الاتصال.
لالسيارات الكهربائية (EVs): تُعدّ الليب جزءًا لا يتجزأ من ثورة التنقل الكهربائي، حيث تعمل كنظام تخزين الطاقة الأساسي في السيارات الكهربائية. وقد دفعت قدرتها على تخزين كميات كبيرة من الطاقة وتوصيلها بكفاءة إلى نمو سوق السيارات الكهربائية.
لتخزين الطاقة المتجددة: هذه البطاريات ضرورية لتخزين الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة مثل الألواح الشمسية وتوربينات الرياح. يمكن استخدام هذه الطاقة المخزنة خلال فترات انخفاض إنتاج الطاقة المتجددة أو أثناء ذروة الطلب.
لالفضاء الجوي: تُستخدم الليب في التطبيقات الفضائية، بما في ذلك تشغيل الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية والمركبات الجوية غير المأهولة، حيث تكون كثافة الطاقة العالية والموثوقية ضرورية.
لالأجهزة الطبية: يتم استخدامها في المعدات الطبية، مما يضمن استمرار عمل الأجهزة الحرجة مثل أجهزة إزالة رجفان القلب القابلة للزرع وأجهزة المراقبة الطبية المحمولة عند الحاجة الماسة إليها.
الخلاصة
وخلاصة القول أن بطاريات الليثيوم أيون قد بشرت بعصر تحويلي لحلول طاقة أنظف وأكثر كفاءة واستدامة. وقد أحدثت أجهزة تخزين الطاقة الرائعة هذه ثورة في كيفية تشغيل أجهزتنا ومركباتنا وأنظمة الطاقة المتجددة، تاركةً بصمة لا تُمحى في مختلف الصناعات بكثافة الطاقة العالية والمتانة والتنوع.
توجد مجموعة متنوعة من مواد بطاريات الليثيوم أيون معروضة للبيع في Stanford Advanced Materials (SAM)، بما في ذلك أكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والمنغنيز (NCM)، وأكسيد الليثيوم والنيكل والكوبالت والألومنيوم (NCA)، وأكسيد الليثيوم والكوبالت (LCO)، وفوسفات الليثيوم والحديد (LFP)، إلخ. أرسل لنا استفسارًا إذا كنت مهتمًا.
المرجع:
[1] تشاندلر، د. ل. (2023، 23 مارس). دراسة تكشف عن انخفاض تكاليف بطاريات الليثيوم أيون. أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تم الاسترجاع في 12 سبتمبر 2023، من https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323.
[2] Ghiji, M. ; Novozhilov, V.; Moinuddin, K.; Joseph, P.; Burch, I.; Suendermann, B.; Gamble, G. A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression. Energies 2020, 13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117
