ما هي بطارية الليثيوم؟

أصبحت بطارية الليثيوم من المكونات الأساسية في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة. إلى جانب ذلك، تلعب بطارية الليثيوم دورًا محوريًا في تشغيل هذه التقنيات. وبالتالي، يجب أن نفهم الجوانب المختلفة لبطاريات الليثيوم. بما في ذلك أنواعها، وخصائص الجهد، وعملية الإنتاج، والتكنولوجيا المتقدمة، والتطبيقات واسعة النطاق. ومن الضروري فهم أهميتها في عالم اليوم. تتعمق هذه المقالة في ذلك.

نوع بطارية الليثيومy

فيما يلي ستة أنواع من بطاريات الليثيوم:

1. بطارية ليثيوم أيون (Li-ion): بطاريات Li-ion هي أكثر أنواع بطاريات الليثيوم شيوعًا. وهي مشهورة بكثافة طاقتها العالية وعمر دورتها الطويل ومعدل تفريغها الذاتي المنخفض. مادة الكاثود هي أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO2). وبالإضافة إلى ذلك، تساعد بطاريات الليثيوم خلال الدورات على إقحام أيونات الليثيوم وإزالة إقحامها.

2. بطارية ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4): LiFePO4 تُعرف أيضًا باسم بطاريات LFP. يعرفها الناس لسلامتها المعززة وثباتها الحراري وعمر دورتها الطويل. تُصنع مادة فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4) من مادة الكاثود، أما الأنود فهو مصنوع من الكربون. يستخدم الناس السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة وتطبيقات الطاقة الاحتياطية.

3. Lبطارية بوليمر الإثيوم (Li-Po): تستخدم بطاريات Li-Po إلكتروليت بوليمر صلب. استبدال إلكتروليت سائل. يوفر هذا الإلكتروليت البوليمر الصلب مرونة تعتمد على الشكل والحجم. وبالتالي، يسمح للمصنعين بإنشاء بطاريات بعوامل شكل مختلفة. تُستخدم بطاريات Li-Po في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية المحمولة.

4. بطارية أكسيد الليثيوم المنغنيز (LiMn2O4):  يشار إليها باسم بطاريات الليثيوم المنجنيز الإسبنيل الليثيوم. توفر توازنًا بين كثافة الطاقة والأمان والفعالية من حيث التكلفة. إلى جانب ذلك، فهي تمتلك كاثودًا مكونًا من أكسيد الليثيوم المنغنيز (LiMn2O4) وأنودًا كربونيًا. تُستخدم هذه البطاريات في الأدوات الكهربائية والأجهزة الطبية والإلكترونيات الاستهلاكية.

5. بطارية أكسيد الألومنيوم والنيكل والنيكل والكوبالت والألومنيوم (LiNiCoAlO2): المعروفة باسم بطاريات NCA. يتعرف الناس عليها بسبب كثافة الطاقة العالية ومخرجات الطاقة العالية. بالإضافة إلى ذلك، فهي تتألف من كاثود يتكون من LiNiCoAlO2 وأنود من الكربون وإلكتروليت سائل. تُستخدم بطاريات NCA في السيارات الكهربائية. والتي توفر نطاقات قيادة أطول وأوقات شحن أسرع.

6. بطارية أكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت (LiNiMnCoO2): يشار إليها باسم بطاريات NMC. وهي توفر توازناً بين كثافة الطاقة وعمر الدورة. ويتألف الكاثود من (LiNiMniMnCoO2) وأنود كربوني. تجد بطاريات NMC تطبيقات في الأدوات الكهربائية والدراجات الكهربائية والأجهزة المحمولة الأخرى.

ما هو جهد بطارية الليثيوم؟

تتميز بطاريات الليثيوم بخصائص جهد مختلفة اعتماداً على كيميائها وتكوينها المحدد. فيما يلي بعض نطاقات الجهد الشائعة لأنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم:

1. بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion):

ل الجهد الاسمي: يبلغ الجهد الاسمي لخلية ليثيوم أيون واحدة حوالي 3.6 إلى 3.7 فولت. تمثل هذه القيمة متوسط الجهد خلال معظم دورة تفريغ البطارية.

ل نطاق جهد التشغيل: أثناء التشغيل العادي، يمكن أن يتراوح جهد خلية ليثيوم أيون من 2.5 إلى 4.2 فولت تقريبًا. يجب أن نعلم أن الحد الأدنى يشير إلى حالة التفريغ، والحد الأعلى يمثل حالة الشحن. يمكن أن يكون تشغيل خلية ليثيوم أيون خارج نطاق الجهد هذا ضارًا بأدائها وسلامتها.

2. بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4):

ل الجهد الاسمي: تتميز بطاريات LiFePO4 بجهد اسمي يتراوح بين 3.2 إلى 3.3 فولت لكل خلية.

ل نطاق جهد التشغيل: يتراوح جهد تشغيل بطاريات LiFePO4 من حوالي 2.8 إلى 3.6 فولت. وبالمثل، بطاريات الليثيوم أيون. إذا كانت هذه الخلايا خارج نطاق الجهد الموصى به، فسيؤثر ذلك على أدائها وسلامتها.

3. بطاريات ليثيوم بوليمر (Li-Po):

ل الجهد الاسمي: يبلغ الجهد الاسمي لبطاريات الليثيوم بوليمر 3.7 فولت لكل خلية. وبالمثل، بطاريات الليثيوم أيون.

ل نطاق جهد التشغيل: يتراوح جهد التشغيل بشكل عام بين 2.5 إلى 4.2 فولت. ويتراوح من بطاريات الليثيوم بوليمر.

4. بطاريات ليثيوم تيتانات الليثيوم (Li4Ti5O12):

ل الجهد الاسمي: تتميز بطاريات Li4Ti5O12 بجهد اسمي يتراوح بين 2.4 و2.5 فولت لكل خلية.

ل نطاق جهد التشغيل: يتراوح جهد تشغيل بطاريات Li4Ti5O12 من حوالي 1.8 إلى 2.8 فولت.

كيف تصنع بطارية ليثيوم؟

تتضمن عملية تصنيع بطاريات الليثيوم عدة خطوات:

1. تحضير المواد:

ل مادة الكاثود: وهي عبارة عن أكسيد فلز الليثيوم مثل lLiCoO2 أو (LiNiMniMnCoO2 أو LiFePO4). المواد المضافة الموصلة والمواد الموصلة لتكوين ملاط يصنع مادة الكاثود.

ل مادة الأنود: تكون عادةً من الجرافيت أو مركب يحتوي على الليثيوم. وبالمثل، تيتانات الليثيوم (Li4Ti5O12). وبالمثل، فإن الكاثود والمواد المضافة الموصلة والمواد الموصلة والمواد الرابطة لتشكيل ملاط يصنع مادة الأنود.

ل إلكتروليت: تحضير الإلكتروليت، وهو ملح الليثيوم المذاب في مذيب عضوي. تشمل أملاح الليثيوم الشائعة المستخدمة سداسي فلوروفوسفات الليثيوم (LiPF6) أو زرنيخات سداسي فلور الليثيوم (LiAsF6).

ل فاصل: احصل على فاصل مسامي مصنوع من مادة البوليمر، ثم افصل بين الكاثود والأنود مع السماح بتدفق الأيونات.

2. طلاء القطب الكهربائي:

ل قم بتغطية ملاط مادة الكاثود على مُجمِّع تيار، والذي عادةً ما يكون مصنوعًا من رقائق الألومنيوم. ل طلاء ملاط مادة الأنود على مُجمِّع تيار منفصل مصنوع من رقائق النحاس.

ل تجفيف الأقطاب المغلفة لإزالة المذيب وإنشاء أغشية أقطاب صلبة.

3. تجميع الخلايا:

ل قم بتجميع الخلية عن طريق وضع فاصل بين الكاثود والأنود. لف أو تكديس الكاثود والفاصل والمصعد معًا لتشكيل لفة هلامية أو تكوين مكدس.

ل أدخل لفافة الهلام أو المجموعة المكدسة في غلاف أسطواني أو غلاف خلية الحقيبة.

4. تعبئة الإلكتروليت وإغلاقه:

ل املأ غلاف الخلية بالإلكتروليت المحضر.

ل أغلق الخلية لمنع التسرب وضمان إحكام إغلاق الهواء. قد تتضمن هذه الخطوة لحام أو تجعيد غلاف الخلية.

5. تشكيل البطارية واختبارها:

ل إجراء عملية تشكيل البطارية، والتي تتضمن شحن البطارية وتفريغها. في ظروف خاضعة للرقابة لتحقيق الاستقرار في أدائها وقدرتها.

ل إجراء اختبارات مراقبة الجودة. التأكد من استيفاء البطارية للمعايير المحددة للجهد والسعة والسلامة.

تقنية بطارية الليثيوم

تشمل تكنولوجيا بطاريات الليثيوم المكونات والمواد المختلفة المستخدمة في بناء بطاريات الليثيوم، بالإضافة إلى المبادئ الأساسية التي تحكم تشغيلها. دعونا نستكشف الجوانب الرئيسية لتكنولوجيا بطاريات الليثيوم:

l الأنود: يُصنع الأنود في بطارية الليثيوم من الجرافيت أو مواد أخرى قائمة على الكربون. أثناء دورة تفريغ البطارية، يطلق الأنود أيونات الليثيوم. وتتحرك نحو المهبط

l القطب السالب: تختلف مادة الكاثود حسب نوع بطارية الليثيوم. تشمل مواد الكاثود الشائعة أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2)، وفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)، وأكسيد منجنيز الليثيوم (LiMn2O4)، ونيكل الليثيوم وأكسيد الألومنيوم والكوبالت والنيكل والكوبالت (LiNiCoAlO2)، وأكسيد كوبالت المنجنيز والنيكل والليثيوم (LiNiMnCo2). يعمل الكاثود كمضيف لأيونات الليثيوم أثناء دورة شحن البطارية.

l فاصل: الفاصل هو غشاء مسامي يوضع بين الأنود والكاثود. وهو يمنع التلامس المباشر والدوائر القصيرة مع السماح بمرور أيونات الليثيوم. ويتكون الفاصل من مادة بوليمر. تُظهر مادة البوليمر موصلية أيونية عالية وموصلية إلكترونية منخفضة.

l المنحل بالكهرباء: يعمل الإلكتروليت كوسيط لنقل أيونات الليثيوم بين القطب الموجب والكاثود. في معظم بطاريات الليثيوم، يتم استخدام إلكتروليت سائل في معظم بطاريات الليثيوم، والذي يتكون من ملح الليثيوم المذاب في مذيب عضوي. وكما تعلم، يتيح الإلكتروليت حركة أيونات الليثيوم أثناء دورات الشحن والتفريغ. وفي السنوات الأخيرة، حظيت إلكتروليتات الحالة الصلبة بالاهتمام بسبب قدرتها على تحسين السلامة وزيادة كثافة الطاقة.

l جامعي التحصيل الحاليين: مجمعات التيار هي مواد موصلة. وهي تساعد على تدفق التيار الكهربائي بين البطارية والأجهزة الخارجية. وهي مصنوعة من النحاس أو رقائق الألومنيوم ويتم توصيلها بالقطب الموجب والكاثود، مما يوفر مساراً لتدفق الإلكترونات.

تطبيقات بطاريات الليثيوم

فيما يلي بعض التطبيقات الشائعة لبطاريات الليثيوم:

1. الإلكترونيات الاستهلاكية: تعمل بطاريات الليثيوم على تشغيل العديد من الأجهزة الاستهلاكية. بما في ذلك الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والكاميرات الرقمية وأجهزة الألعاب المحمولة والساعات الذكية. وتتميز هذه البطاريات بكثافة الطاقة العالية والأداء طويل الأمد. وبالتالي، فهي تجعلها مثالية للأجهزة الإلكترونية المحمولة والمدمجة.

2. السيارات الكهربائية (EVs):  تلعب بطاريات الليثيوم دوراً حاسماً في كهربة وسائل النقل. وبالمثل، السيارات الكهربائية والسيارات الكهربائية الهجينة والسيارات الكهربائية الهجينة القابلة للشحن بالكهرباء. توفر بطاريات الليثيوم كثافة طاقة عالية. ولذلك، فهي تسمح للسيارات الكهربائية بتحقيق نطاقات قيادة أطول وأداء أفضل.

3. تخزين الطاقة المتجددة: يستخدمه الناس في أنظمة تخزين الطاقة. فهي تخزن الكهرباء. بالإضافة إلى ذلك، يتم توليد الكهرباء من مصادر متجددة مثل الألواح الشمسية وتوربينات الرياح. تساعد هذه البطاريات على موازنة الطبيعة المتقطعة لتوليد الطاقة المتجددة. إلى جانب ذلك، فهي تضمن إمداداً ثابتاً بالطاقة وتتيح تطبيقات خارج الشبكة.

4. الطيران والفضاء والدفاع: يستخدمه الناس في التطبيقات الفضائية. بما في ذلك الأقمار الصناعية والمركبات الجوية غير المأهولة والمركبات الفضائية. ومن ميزاتها التصميم خفيف الوزن وكثافة الطاقة العالية. بالإضافة إلى ذلك، فهي مناسبة لتشغيل الأنظمة الحرجة في هذه البيئات الصعبة.

5. أدوات كهربائية: حلت بطاريات الليثيوم محل تقنيات البطاريات القديمة في الأدوات الكهربائية. وبالمثل، المثاقب والمناشير ومفاتيح الربط اللاسلكية. فهي توفر كثافة طاقة أعلى وأوقات تشغيل أطول ووزن أقل. بالإضافة إلى ذلك، فهي توفر راحة وأداءً أكبر للمستخدمين المحترفين والمستخدمين الذين يعملون بأنفسهم.

6. الأجهزة الطبية: وتتراوح هذه الأجهزة من معدات التشخيص المحمولة إلى الأجهزة القابلة للزرع. وبالمثل، أجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة إزالة الرجفان. فهي توفر طاقة تدوم طويلاً وعوامل شكلية صغيرة وأداءً موثوقاً. إلى جانب ذلك، فهي تضمن التشغيل المستمر وتقلل من الحاجة إلى الاستبدال المتكرر للبطارية.

الخاتمة

من المهم معرفة كل شيء وتقدير أهميتها في عالم اليوم. ستوفر التطورات المستمرة حلولاً أكثر كفاءة وأماناً لتخزين الطاقة في المستقبل. فهي تلعب دوراً حيوياً في تلبية احتياجاتنا من الطاقة وتقليل بصمتنا الكربونية. في الختام، يجب أن نسعى جاهدين من أجل مستقبل مستدام وكهربائي .