المكونات الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون
(1) الكاثود (القطب الموجب)- تشمل المواد النشطة بشكل أساسي أكسيد كوبالت الليثيوم، ومنجنات الليثيوم، وفوسفات حديد الليثيوم، وأكسيد نيكل الليثيوم، والمواد الثلاثية من النيكل والكوبالت والمنغنيز، وما إلى ذلك. تُستخدم رقائق الألومنيوم بسماكة 10-20 ميكرومتر بشكل عام كمجمع تيار موصل.
(2) فاصل– غشاء بلاستيكي خاص يسمح بمرور أيونات الليثيوم أثناء عزل الإلكترونات. حاليًا، يتم تصنيعه بشكل أساسي من PE أو PP أو مركباتهما. هناك أيضًا فواصل صلبة غير عضوية؛ على سبيل المثال، الفاصل المطلي بالألومينا هو نوع من الفاصل الصلب غير العضوي.
(3) الأنود (القطب السالب)– تشمل المواد الفعالة بشكل رئيسي الجرافيت أو تيتانات الليثيوم أو مواد كربونية ذات هياكل تشبه الجرافيت. تُستخدم رقائق النحاس بسمك 7-15 ميكرومتر بشكل شائع كمجمع للتيار الموصل.
(4) المنحل بالكهرباء- بشكل عام نظام عضوي، مثل المذيبات ذات الأساس الكربوني المذابة مع سداسي فلوروفوسفات الليثيوم. تعتمد بعض بطاريات البوليمر إلكتروليتات من النوع الهلامي.
(5) حالة البطارية- تنقسم بشكل رئيسي إلى علب صلبة (أغلفة فولاذية، وأغلفة من الألومنيوم، وأغلفة حديدية مطلية بالنيكل، وما إلى ذلك) وعلب ناعمة (أغشية من الألومنيوم والبلاستيك).
أثناء الشحن، يتم فصل أيونات الليثيوم من الكاثود وإقحامها في القطب الموجب؛ ويحدث العكس أثناء التفريغ. يجب أن يكون أحد القطبين في حالة إقحام الليثيوم قبل التجميع. يتم اختيار أكاسيد الفلزات الانتقالية المقحمة بالليثيوم ذات جهد أعلى من 3 فولت بالنسبة إلى الليثيوم والمستقرة في الهواء بشكل عام كمواد كاثودية، مثل LiCoO₂ وLiNiO₂ وLiMn₂O₄.
مواد الأنود عبارة عن مركبات قابلة للتكسير بالليثيوم مع إمكانات قريبة من الليثيوم قدر الإمكان، بما في ذلك مواد الكربون المختلفة (الجرافيت الطبيعي، الجرافيت الاصطناعي، ألياف الكربون، الحبيبات الدقيقة المتوسطة الكربون، وما إلى ذلك) وأكاسيد المعادن مثل SnO، SnO₂ وأكاسيد القصدير المركبة SnBₓPᵧO_z (x=0.4–0.6، y=0.6–0.4، ض=(2 + 3س + 5ص)/2).
يعتمد المنحل بالكهرباء نظام مذيب مختلط من كربونات الألكيل مثل كربونات الإيثيلين (EC)، وكربونات البروبيلين (PC) وكربونات ثنائي إيثيل منخفضة اللزوجة (DEC) المذابة مع LiPF₆.
الفواصل عبارة عن أغشية بولي أوليفين صغيرة مسامية من PE أو PP أو مركباتها. على وجه الخصوص، تتميز الفواصل ثلاثية الطبقات PP/PE/PP بنقطة انصهار منخفضة ومقاومة عالية للثقب، وتعمل كصمام أمان حراري.
تصنع العلب من الفولاذ أو الألومنيوم، وتم تجهيز مجموعات الغطاء بوظائف مقاومة للانفجار وقطع الطاقة.
مبدأ العمل الأساسي
عندما يتم شحن البطارية، يتم استخلاص أيونات الليثيوم من المركبات المحتوية على الليثيوم في الكاثود وتهاجر عبر المنحل بالكهرباء إلى القطب الموجب. تحتوي المادة الكربونية للأنود على بنية ذات طبقات تحتوي على العديد من المسام الدقيقة، حيث يتم دمج أيونات الليثيوم. المزيد من أيونات الليثيوم المدمجة تعني قدرة شحن أعلى.
أثناء التفريغ (عندما تكون البطارية قيد الاستخدام)، يتم استخراج أيونات الليثيوم المدمجة في طبقات الكربون من الأنود وتهاجر مرة أخرى إلى الكاثود. المزيد من أيونات الليثيوم العائدة إلى الكاثود تتوافق مع قدرة تفريغ أعلى. سعة البطارية التي نشير إليها عادةً هي سعة التفريغ.
أثناء دورات الشحن والتفريغ لبطاريات الليثيوم أيون، تتحرك أيونات الليثيوم ذهابًا وإيابًا بين الكاثود والأنود. وهذا مشابه للكرسي الهزاز: حيث يمثل طرفا الكرسي القطبين الكهربائيين، وتتحرك أيونات الليثيوم بشكل متكرر بينهما. ومن ثم، تُعرف بطاريات الليثيوم أيون أيضًا باسم بطاريات الكرسي الهزاز.
آلية الشحن والتفريغ
تتكون عملية شحن بطاريات الليثيوم أيون من مرحلتين: الشحن بالتيار المستمر والشحن بالجهد الثابت مع تيار متناقص تدريجيًا.
يؤدي الشحن الزائد والتفريغ الزائد إلى حدوث ضرر دائم للكاثود والأنود. يؤدي التفريغ الزائد إلى انهيار البنية الطبقية لكربون الأنود، مما يمنع أيونات الليثيوم من التداخل أثناء الشحن اللاحق. يؤدي الشحن الزائد إلى تضمين أيونات الليثيوم المفرطة في بنية كربون الأنود، مما يترك بعض أيونات الليثيوم غير قابلة للاستخراج بشكل دائم.
إن نمط الشحن والتفريغ الأمثل للحفاظ على أداء بطارية الليثيوم أيون هو الشحن الضحل والتفريغ الضحل. بشكل عام، عمر الدورة تحت 60% من عمق التفريغ (DOD) هو 2-4 مرات أقل من 100% من عمق التفريغ.
