باتری های لیتیوم یون لیتیوم. باتری های لیتیوم یونی

زیرگونه های مختلف سیستم الکتروشیمیایی لیتیوم-یون با توجه به نوع ماده فعال آنها نامگذاری می شوند و می توان آنها را هم به طور کامل با کلمات و هم به صورت کوتاه شده - با فرمول های شیمیایی نشان داد. آنچه باتری های لیتیومی را متحد می کند همان چیزی است که همه آنها به آن اشاره می کنند باتری های مهر و موم شده بدون نیاز به تعمیر و نگهداری. چنین فرمول هایی به دلیل پیچیدگی آنها برای خواندن یا به خاطر سپردن بسیار راحت نیستند، بنابراین آنها نیز ساده شده اند - به یک حروف اختصاری.

به عنوان مثال، لیتیوم کبالتیت، یکی از رایج ترین مواد برای باتری های لیتیوم یون، دارای فرمول شیمیایی LiCoO2 و مخفف LCO است. به دلایل سادگی، ممکن است از شکل کوتاه کلامی "لیتیوم کبالت" نیز استفاده شود. کبالت ماده فعال اصلی است و روی آن است که نوع باتری مشخص می شود. انواع دیگر سیستم های الکتروشیمیایی لیتیوم-یون نیز به طور مشابه به شکل کوتاه کاهش می یابد. در این بخش شش نوع متداول لیتیوم یون ذکر شده است.

1. باتری لیتیوم کبالت (LiCoO2)

چگالی انرژی بالا باتری لیتیوم کبالت را به گزینه ای محبوب برای تلفن های همراه، لپ تاپ ها و دوربین های دیجیتال تبدیل می کند. باتری از یک آند گرافیت و یک کاتد اکسید کبالت تشکیل شده است. کاتد دارای ساختار لایه ای است و در حین تخلیه، یون های لیتیوم از آند به سمت آن حرکت می کنند. هنگام شارژ، جهت معکوس است. نقطه ضعف باتری های لیتیوم کبالت عمر مفید نسبتا کوتاه، پایداری حرارتی کم و ظرفیت بار محدود (چگالی توان) است. شکل 1 ساختار چنین باتری را نشان می دهد.

شکل 1: ساختار یک باتری لیتیوم کبالت.در هنگام تخلیه، یون های لیتیوم از آند به کاتد حرکت می کنند، در حالی که شارژ می شوند - از کاتد به آند.

باتری لیتیوم کبالت را نمی توان با جریانی بالاتر از آن شارژ یا دشارژ کرد دارای رتبه C. این بدان معنی است که یک سلول 2400 میلی آمپر ساعتی 18650 را می توان با جریانی که بیش از 2400 میلی آمپر نیست شارژ یا تخلیه کرد. شارژ سریع یا اتصال باری که به بیش از 2400 میلی آمپر نیاز دارد منجر به استرس و گرمای بیش از حد می شود. برای شارژ سریع، سازندگان درجه C 0.8C یا حدود 2000 میلی آمپر را توصیه می کنند. هنگام استفاده از سیستم حفاظت باتری، به طور خودکار شارژ و دشارژ را به سطح ایمن محدود می کند - حدود 1 درجه سانتیگراد.

شکل 2: ارزیابی یک باتری لیتیوم کبالت متوسط.سیستم الکتروشیمیایی لیتیوم کبالت به دلیل چگالی انرژی بالا متمایز است، اما چگالی توان متوسط، ایمنی و عمر مفید را ارائه می دهد.

جدول مشخصه

جدول 3: مشخصات باتری لیتیوم کبالت.

2. باتری لیتیوم منگنز (LiMn2O4)

طراحی یک باتری لیتیوم یونی با اسپینل منگنز برای اولین بار در بولتن تحقیقات مواد در سال 1983 منتشر شد. در سال 1996، Moli Energy یک سلول یون لیتیوم را با اسپینل لیتیوم منگنز به عنوان ماده کاتد تجاری کرد. ساختار سه بعدی اسپینل جریان یون ها را در الکترود بهبود می بخشد و در نتیجه باعث کاهش مقاومت داخلی و بهبود مدیریت جریان می شود. یکی دیگر از مزایای اسپینل پایداری حرارتی بالای آن است، اما عمر و تعداد چرخه آن محدود است.

مقاومت داخلی کم چنین سلولی شارژ سریع و جریان تخلیه احتمالی بالا را تضمین می کند. در اندازه 18650، یک باتری لیتیوم منگنز را می توان با جریان 20-30 آمپر با تولید گرمای متوسط ​​تخلیه کرد. علاوه بر این، قادر به مقاومت در برابر ضربه های 50 A برای یک تا دو ثانیه است. بار مداوم 50 A منجر به گرم شدن باتری می شود که برای جلوگیری از تخریب نباید از 80 درجه سانتیگراد تجاوز کند. باتری های لیتیوم منگنز برای ابزارهای قدرتمند، تجهیزات پزشکی و همچنین در خودروهای هیبریدی و الکتریکی استفاده می شود.

شکل 4 یک تصویر گرافیکی از یک قاب کریستالی سه بعدی از مواد کاتد است. این ماده اسپینل است که در آن ساختار مشبک الماسی شکل اولیه به شکل سه بعدی تبدیل می شود.

شکل 4: ساختار باتری لیتیوم منگنز.کاتد اسپینل کریستالی لیتیوم منگنز دارای ساختار اسکلتی سه بعدی است که پس از تشکیل اولیه ظاهر می شود. اسپینل مقاومت کمی دارد اما چگالی انرژی متوسط‌تری نسبت به کبالت دارد.

ظرفیت باتری لیتیوم منگنز حدود یک سوم کمتر از باتری لیتیوم کبالت است. انعطاف‌پذیری طراحی به شما امکان می‌دهد باتری را برای کارهای مختلف بهینه کنید و مدل‌هایی با دوام، چگالی توان یا چگالی انرژی بهبود یافته ایجاد کنید. به عنوان مثال، نسخه 18650 با رتبه بندی توان بهبود یافته تنها 1100 میلی آمپر ساعت ظرفیت دارد، در حالی که نسخه بهینه شده ظرفیت 1500 میلی آمپر ساعت است.

شکل 5 نمودار شش ضلعی یک باتری لیتیوم منگنز معمولی را نشان می دهد. این عملکرد ممکن است چندان چشمگیر به نظر نرسد، اما آخرین پیشرفت ها عملکرد را از نظر چگالی توان، ایمنی و امید به زندگی بهبود بخشیده است.

شکل 5: ویژگی های باتری لیتیوم منگنز معمولی.با وجود عملکرد کلی متوسط، مدل های جدید چگالی توان، ایمنی و طول عمر بهبود یافته را نشان می دهند.

بیشتر باتری‌های لیتیوم منگنز با باتری‌های لیتیوم نیکل منگنز کبالت (NMC) ترکیب می‌شوند تا چگالی انرژی را افزایش داده و عمر باتری را افزایش دهند. این اتحادیه از نقاط قوت هر دو سیستم بهره می برد و LMO (NMC) نامیده می شود. این باتری های ترکیبی هستند که در اکثر خودروهای الکتریکی مانند نیسان لیف، شورت ولت و بی ام و i3 استفاده می شوند. LMO بخشی از چنین باتری است که حدود 30٪ است، قابلیت های شتاب دهی بالایی را برای موتور الکتریکی فراهم می کند و قسمت NMC مسئولیت اندازه کارکرد خودکار را بر عهده دارد.

تحقیقات در سیستم لیتیوم یون تا حد زیادی به سمت ترکیب سلول های لیتیوم- منگنز با سلول های نیکل- منگنز- کبالت کشیده شده است. این سه فلز فعال را می توان به راحتی با هم ترکیب کرد تا به نتیجه مطلوب دست یافت، خواه افزایش چگالی توان، ویژگی های بار یا عمر باتری باشد. این طیف گسترده ای از قابلیت ها برای پاسخگویی به رویکرد فناوری واحد و بازار باتری مصرف کننده، جایی که ظرفیت در اولویت است، مورد نیاز است. و صنایعی که به سیستم های باتری با ویژگی های بار خوب، عمر طولانی و عملکرد ایمن قابل اعتماد نیاز دارند.

جدول مشخصه

جدول 6: ویژگی های باتری لیتیوم منگنز.

3. باتری اکسید کبالت منگنز لیتیوم نیکل (LiNiMnCoO2 یا NMC)

یکی از موفق‌ترین پیاده‌سازی‌های سیستم الکتروشیمیایی لیتیوم-یون، ترکیب نیکل، منگنز و کبالت (NMC) در کاتد است. مشابه سیستم های لیتیوم منگنز، این سیستم ها را می توان از نظر ظرفیت یا قدرت بهینه کرد. به عنوان مثال، یک باتری NMC در یک سلول متوسط ​​18650 دارای ظرفیت 2800 میلی آمپر ساعت است و می تواند 4 تا 5 آمپر جریان داشته باشد. و نسخه در همان اندازه اما بهینه شده برای نشانگرهای قدرت تنها 2000 میلی آمپر ساعت ظرفیت دارد اما حداکثر جریان تخلیه آن 20 آمپر است. در صورت افزودن سیلیکون به آند می توان نشانگر ظرفیت را تا 4000 میلی آمپر ساعت افزایش داد. اما از سوی دیگر، این امر به طور قابل توجهی ویژگی های بار و دوام چنین باتری را کاهش می دهد. چنین ویژگی های مبهم سیلیکون به دلیل انبساط و کاهش آن در هنگام شارژ و تخلیه ظاهر می شود که منجر به ناپایداری مکانیکی طراحی باتری می شود.

راز فناوری NMC در ترکیب نیکل و منگنز نهفته است. نمک خوراکی معمولی می تواند به عنوان یک قیاس عمل کند، جایی که به طور جداگانه اجزای آن، سدیم و کلر، بسیار سمی هستند، اما ترکیب آنها یک ماده غذایی مفید را تشکیل می دهد. نیکل به دلیل چگالی انرژی بالا اما پایداری کم شناخته شده است. از سوی دیگر، منگنز دارای مزیت ساختار اسپینلی است که مقاومت داخلی پایینی را ایجاد می کند، اما همچنین منجر به مضرات شدت انرژی ویژه کم می شود. ترکیب این فلزات به شما این امکان را می دهد که کاستی های یکدیگر را جبران کرده و از نقاط قوت نهایت استفاده را ببرید.

باتری‌های NMC برای ابزارهای برقی، دوچرخه‌های برقی و سایر پیشرانه‌ها استفاده می‌شوند. ترکیب کاتد، به عنوان یک قاعده، نیکل، منگنز و کبالت را در قسمت های مساوی ترکیب می کند، یعنی هر فلز یک سوم از حجم کل را اشغال می کند. این توزیع با نام 1-1-1 نیز شناخته می شود. ترکیب در این نسبت برای هزینه آن سودمند است، زیرا محتوای کبالت گران قیمت در مقایسه با سایر نسخه های باتری نسبتاً کم است. یکی دیگر از ترکیبات موفق NMC شامل 5 قسمت نیکل، 3 قسمت کبالت و 2 قسمت منگنز است. آزمایشات برای یافتن ترکیبات موفق این مواد فعال هنوز ادامه دارد. شکل 7 ویژگی های باتری NMC را نشان می دهد.

شکل 7: ارزیابی ویژگی های باتری NMC. NMC عملکرد کلی خوب و چگالی انرژی عالی دارد. این باتری برای وسایل نقلیه الکتریکی ترجیح داده شده و کمترین میزان گرمایش خود را دارد.

اخیراً این خانواده باتری های لیتیوم یونی NMC است که محبوب ترین ها را به خود اختصاص داده است ، زیرا به لطف امکان ترکیب مواد فعال ، طراحی یک باتری اقتصادی با عملکرد خوب امکان پذیر شده است. نیکل، منگنز و کبالت را می توان به راحتی با هم ترکیب کرد تا طیف وسیعی از نیازهای وسایل نقلیه الکتریکی یا سیستم های ذخیره انرژی را که نیاز به دوچرخه سواری منظم دارند برآورده کند. خانواده باتری NMC به طور فعال در تنوع خود در حال توسعه است.

جدول مشخصه

جدول 8: مشخصات باتری لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت (NMC).

4. باتری فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4)

در سال 1996 تحقیقاتی در دانشگاه تگزاس انجام شد که در نتیجه آن ماده جدیدی برای کاتد کشف شد. باتری لیتیوم یونی- فسفات آهن سیستم فسفات لیتیوم دارای خواص الکتروشیمیایی خوب و مقاومت داخلی کم است. از مزایای اصلی چنین باتری هایی می توان به آمپر بالا و عمر طولانی اشاره کرد، علاوه بر این، پایداری حرارتی خوب، افزایش ایمنی و مقاومت در برابر استفاده نادرست دارند.

باتری های لیتیوم فسفات در برابر شارژ بیش از حد مقاوم تر هستند. اگر یک ولتاژ بالا برای مدت طولانی به آنها اعمال شود، اثرات تخریب در مقایسه با سایر باتری های لیتیوم یون به طور قابل توجهی کمتر خواهد بود. اما ولتاژ سلولی 3.20 ولت، چگالی انرژی ویژه را به سطحی حتی کمتر از باتری لیتیوم منگنز کاهش می دهد. برای اکثر باتری های الکتریکی، دمای سرد باعث کاهش عملکرد و دمای گرم کاهش عمر می شود، سیستم فسفات لیتیوم نیز از این قاعده مستثنی نیست. همچنین نسبت به سایر باتری‌های لیتیوم یونی، میزان تخلیه خودکار بالاتری دارد. شکل 9 ویژگی های باتری لیتیوم فسفات را نشان می دهد.

باتری های لیتیوم فسفات اغلب به عنوان جایگزینی برای باتری های اسید سرب استارتر استفاده می شوند. چهار سلول از چنین باتری ولتاژ 12.8 ولت - مشابه ولتاژ شش سلول اسید سرب دو ولتی را فراهم می کند. دینام خودرو باتری سرب اسیدی را تا 14.40 ولت (2.40 ولت در هر سلول) شارژ می کند. برای چهار سلول لیتیوم فسفات، حد ولتاژ 3.60 ولت خواهد بود، پس از شارژ مجدد، باید خاموش شود، که در یک وسیله نقلیه معمولی اتفاق نمی افتد. باتری های لیتیوم فسفات در برابر شارژ بیش از حد مقاوم هستند، اما اگر برای مدت طولانی در ولتاژ بالا نگه داشته شوند، حتی خراب می شوند. دمای پایین همچنین می تواند در هنگام استفاده از باتری لیتیوم فسفات به عنوان جایگزینی برای استارت معمولی مشکل ایجاد کند.

شکل 9: ارزیابی عملکرد باتری لیتیوم فسفات.سیستم الکتروشیمیایی لیتیوم فسفات ایمنی عالی و عمر طولانی را فراهم می کند، اما چگالی انرژی متوسط ​​است و خود تخلیه زیاد است.

جدول مشخصه

اکثر دستگاه‌های الکترونیکی مدرن، مانند لپ‌تاپ، تلفن یا پخش‌کننده، مجهز به باتری‌های لیتیوم یونی هستند که به عنوان منابع انرژی مستقل عمل می‌کنند. این باتری‌های یونی نسبتاً اخیراً ساخته شده‌اند، اما به دلیل ویژگی‌هایشان محبوبیت زیادی در بین طراحان و سازندگان ابزار پیدا کرده‌اند. در حال حاضر علاوه بر انواع لوازم خانگی، ابزارهای زیادی برای تزئین و تعمیر، پیچ گوشتی یا دستگاه های برش به چنین منابع برق مجهز شده اند. این مقاله در مورد انواع باتری های لیتیوم یون، محدوده و اصل کارکرد آنها بحث می کند.

انواع باتری های لیتیوم یونی

انواع مختلفی از باتری های قابل شارژ وجود دارد که بر اساس اصل ذخیره انرژی و تخلیه آن به دستگاه مصرف شده کار می کنند که می توانند در یک واحد لیتیوم یونی ترکیب شوند. این باتری ها عبارتند از:

1. باتری لیتیوم کبالت. چنین دستگاهی از یک آند گرافیت و یک کاتد ساخته شده از اکسید کبالت تشکیل شده است. کاتد دارای ساختار صفحه ای با شکاف های بین قطعات است، بنابراین زمانی که برق مصرف می شود، یون های لیتیوم از آند به صفحات عرضه می شود، یک واکنش الکترومغناطیسی رخ می دهد و ولتاژ به پایانه ها اعمال می شود. نقطه ضعف چنین سیستمی مقاومت ضعیف مکانیسم در برابر تغییرات دما است، زیرا با مقادیر منفی، باتری تخلیه می شود، حتی اگر به مصرف کننده متصل نباشد. در طول شارژ مجدد محصول، جهت جریان تغییر می کند و یون های لیتیوم از طریق کاتدها وارد آندها می شوند، تجمع می یابند و ولتاژ افزایش می یابد. اتصال شارژر به باتری که ولتاژ نامی آن بالاتر از درجه بندی قطعه است اکیداً ممنوع است، در غیر این صورت ممکن است باتری بیش از حد گرم شود، صفحات ذوب شوند و کیس ترک بخورد.
2. باتری لیتیوم منگنز. همچنین برای باتری های لیتیوم یونی که محیط کار آنها از اسپینل منگنز به شکل تونل های متقاطع سه بعدی ساخته شده است، صدق می کند. برخلاف سیستم کبالت، این نوع پایه عبور بدون مانع یون های لیتیوم را از آند به کاتد و بیشتر به کنتاکت های دستگاه تضمین می کند. مزیت اصلی باتری های لیتیوم یون منگنز مقاومت کم مواد آنهاست، به همین دلیل است که اغلب در وسایل نقلیه هیبریدی، ابزارهای تشنه قدرت یا تجهیزات پزشکی مستقل استفاده می شود. گرم کردن باتری در هنگام شارژ مجدد تا 80 درجه مجاز است و جریان نامی می تواند تا 20-30 آمپر باشد. توصیه نمی شود باتری را با جریانی که ولتاژ آن بالاتر از 50 آمپر است برای بیش از دو ثانیه عمل کنید، در غیر این صورت اسپینل ها ممکن است بیش از حد گرم شوند و از کار بیفتند.

1. باتری های لیتیوم یونی با کاتد فسفات آهن. چنین باتری به دلیل هزینه نسبتاً بالای تولید نادر است، قیمت نهایی آن کمی بالاتر از سایر باتری های لیتیوم یون است. کاتد فسفات یک مزیت بزرگ دارد: عمر مفید محصول و فرکانس شارژ مجدد است که به طور قابل توجهی نسبت به دستگاه های مشابه برتری دارد. اغلب، این باتری ها دارای گارانتی 10 تا 50 ساله یا حدود 500 چرخه شارژ هستند. با توجه به این ویژگی ها، باتری های فسفات آهن اغلب در صنایع زمانی که نیاز به ولتاژ خروجی بالا است استفاده می شود.
2. باتری های لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت یون. این عملی ترین، از نظر هزینه تولید و قابلیت اطمینان محصول نهایی، ترکیبی از مواد برای ساخت کاتد است. با توجه به خواص الکتروشیمیایی مواد ذکر شده، کاتد ساخته شده از آنها دارای مقادیر مقاومت پایینی است، بنابراین، در مدت زمان طولانی بیکاری باتری، تخلیه حداقل خواهد بود. همچنین با افزایش اندازه سلول شیشه ای یا کاتدی می توان ظرفیت کل باتری را افزایش داد و یا ولتاژ را افزایش داد. این راز در ترکیب منگنز و نیکل نهفته است که در صورت ترکیب صحیح، زنجیره ای با خواص الکتروشیمیایی بالا ایجاد می کند.
3. باتری لیتیوم تیتانات. کاتد این دستگاه که در اوایل دهه 80 ساخته شد، برخلاف باتری های یونی با هسته گرافیتی، از نانوبلورهای لیتیوم تیتانات ساخته شده است. کاتد ساخته شده از این ماده به شما امکان می دهد باتری را در مدت زمان کوتاهی شارژ کنید و ولتاژ را با مقاومت صفر حفظ کنید. این واحد اغلب در سیستم‌های روشنایی خودران خیابان‌ها استفاده می‌شود، زمانی که لازم است انرژی در مدت زمان کوتاهی جمع شود و برای مدت طولانی در اختیار مصرف‌کننده قرار گیرد. نقطه ضعف چنین سیستمی هزینه نسبتاً بالای باتری تمام شده است، اما به دلیل افزایش عمر قطعه، به سرعت جواب می دهد.

مهم!تمام باتری‌های لیتیوم یونی که در لیست ذکر شده‌اند، باتری‌های غیرقابل سرویس هستند، بنابراین در صورت آسیب یا خرابی، تعمیر یا انجام سرویس برای افزودن الکترولیت امکان‌پذیر نخواهد بود. هر گونه دستکاری برای باز کردن درب باتری منجر به از بین رفتن صفحات باتری و خرابی کامل می شود.

اصل کار باتری های لیتیوم یون

تمام باتری های لیتیوم یونی ساختار مشابهی دارند که دارای چند تفاوت جزئی است که بر اصل عملکرد قطعه تأثیر نمی گذارد. پوسته بیرونی از مواد کامپوزیت، پلاستیک یا فلز غیرآهنی نازک ساخته شده است که بسیار نادر است. بیشتر اوقات، باتری از یک جعبه پلاستیکی، پایانه های فلزی برای تماس با مصرف کننده و میله های داخلی با ولتاژ مثبت و منفی تشکیل شده است. لیتیوم داخلی با اتصال یک دستگاه خارجی با جریان پایدار شارژ می شود، اما هر محصول دارای یک شارژ اولیه است که به دلیل واکنش شیمیایی بین آند و کاتد رخ می دهد.

فرآیندهای روی الکترود منفی، ساخته شده از مواد کربنی، که ظاهر گرافیت پفکی طبیعی است، تصادفی هستند، اتم های باردار با الکتریسیته بدون از دست دادن ولتاژ در طول ماتریس حرکت می کنند. همه شاخص ها در این بخش منفی است.

الکترود مثبت باتری لیتیومی منحصراً از اکسیدهای کبالت یا نیکل و همچنین از اسپینل لیتیوم منگنز ساخته شده است. در هنگام تخلیه، یون های لیتیوم از هسته کربن دور می شوند و پس از واکنش با اکسیژن، به کاتد نفوذ می کنند و به بیرون می ریزند، اما نمی توانند بدنه باتری را ترک کنند. یون های لیتیوم باردار ولتاژ خود را از دست می دهند و تا زمانی که لیتیوم شارژ شود روی سطح آند باقی می مانند. در طول شارژ، کل فرآیند به ترتیب معکوس انجام می شود.

طراحی باتری لیتیوم یونی

به عنوان یک باتری قلیایی، باتری لیتیومی به شکل یک استوانه تولید می شود یا ممکن است شکل منشوری داشته باشد. در یک باتری استوانه‌ای، الکترودهایی که به صورت رول در می‌آیند، به‌عنوان هسته استفاده می‌شوند، با غلاف مخصوص عایق شده و در یک محفظه فلزی قرار می‌گیرند که به سلول‌های دارای بار منفی متصل است. برای حفظ قطبیت، تماس منفی در پایین و تماس مثبت در بالای قطعه قرار دارد و این عناصر نباید با یکدیگر تماس داشته باشند، در غیر این صورت جریان از هادی عبور می کند که منجر به تخلیه خود به خود می شود. .

شکل منشوری باتری لیتیوم یونی بسیار رایج است. در این طرح، هسته با تا کردن صفحات مخصوص روی هم که در حداقل فاصله بین آنها قرار دارند، تشکیل می شود. چنین سیستمی عملکرد فنی بالاتری را امکان پذیر می کند، اما به دلیل محکم بودن صفحات در هنگام شارژ شدن باتری ها، گرم شدن بیش از حد هسته و ذوب شبکه امکان پذیر است که منجر به کاهش بهره وری قطعه می شود.

یافتن یک سیستم ترکیبی برای دستگاه باتری لیتیوم یونی غیر معمول نیست، زمانی که الکترودهای پیچ خورده در یک رول به یک سیلندر بیضی شکل تبدیل می شوند. در همان زمان، قوانین انتقال صاف رعایت می شود، و در همان زمان، بخش مستقیم از یک شکل لایه ای تقلید می کند. چنین باتری هایی دارای ویژگی های هر دو نوع محصول هستند، عمر مفید آنها بسیار بالاتر است.

در طی واکنش شیمیایی و کارکرد باتری، گازهایی در داخل کیس تشکیل می شود که حاوی مواد مضر است. برای حذف سریع این بخارات در باتری های لیتیوم یون خروجی وجود دارد که با بانک ها ارتباط دارد و گاز انباشته شده را به موقع از حفره باتری خارج می کند. برخی از باتری‌های پرقدرت مجهز به شیر خاصی هستند که در هنگام تجمع بحرانی بخارات کار می‌کند.

بررسی باتری لیتیوم یونی

شارژهای لیتیوم داخل باتری باید به طور دوره ای بررسی شوند، علیرغم اینکه باتری مشخص شده خارج از سرویس در نظر گرفته می شود، از آنجایی که بدنه آن مهر و موم شده است، باتری همچنان باید با استفاده از دستگاه خاصی بررسی شود.

بازرسی همیشه با یک بازرسی خارجی شروع می شود که طی آن بدنه قطعه از نظر ترک و تغییر شکل بررسی می شود. پایانه های باتری نیز بازرسی می شوند، آنها از اکسیداسیون و سایر آلاینده ها پاک می شوند.

مهم!لازم است باتری را تمیز نگه دارید، از تماس بین مخاطبین خودداری کنید، زیرا این امر می تواند منجر به تخلیه کامل باتری شود، بازیابی آن بسیار مشکل ساز خواهد بود.

برای بررسی وضعیت داخلی هسته از یک دوشاخه بار استفاده می شود که به پایانه ها متصل شده و ولتاژ نامی شبکه را اندازه گیری می کند. سپس یک تخلیه به باتری اعمال می شود و دستگاه نشانگرهای نگه داشتن جریان را در داخل قطعه می خواند. در نظر گرفتن این نکته مهم است که در زمان آزمایش باتری باید کاملاً شارژ شود، در غیر این صورت خوانش‌ها نادرست خواهند بود.

کاربردهای باتری های لیتیوم یونی

باتری‌های لیتیوم یون بسته به پیکربندی، شکل و درجه ولتاژ در بسیاری از کاربردها استفاده می‌شوند. بیشترین استفاده از باتری ها در صنعت خودروسازی است، هر وسیله نقلیه منبع تغذیه خود را دارد که وظیفه راه اندازی خودرو و انجام سایر وظایف را بر عهده دارد.

از این باتری ها در دستگاه های موبایل، لپ تاپ و سایر گجت ها نیز استفاده می شود. دستگاه چنین باتری هایی شبیه باتری های خودرو است، تنها تفاوت در ابعاد محصولات است که می تواند به اندازه یک قوطی کبریت باشد.

اخیراً، معرفی باتری‌های لیتیوم یونی به سیستم‌های برق بدون وقفه در خانه و به عنوان منابع برق اضطراری، در حالی که باتری به طور دائم به شبکه مرکزی متصل است، رایج شده است. در حین کار دستگاه ها از یک نیروگاه ساده، باتری شارژ می شود و با قطع برق، به طور خودکار شروع به جریان دادن به مصرف کننده می کند. در این حالت، باتری قابل شارژ باید به درستی قرار گرفته و دارای سیستم های حفاظت از گرمای بیش از حد باشد.

ویدئو

که به طور گسترده در لوازم الکترونیکی مصرفی مدرن استفاده می شود و به عنوان منبع انرژی در وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاه های ذخیره انرژی در سیستم های انرژی کاربرد دارد. این محبوب ترین نوع باتری در دستگاه هایی مانند تلفن های همراه , لپ تاپ ها , وسایل نقلیه الکتریکی , دوربین های دیجیتالو دوربین های فیلمبرداری. اولین باتری لیتیوم یونی توسط این شرکت عرضه شد سونیکه در 1991.

مشخصات

بسته به مدار الکتروشیمیایی، باتری های لیتیوم یون ویژگی های زیر را نشان می دهند:

• ولتاژ یک سلول 3.6 ولت است.
• حداکثر ولتاژ 4.2 ولت، حداقل 2.5-3.0 ولت. ولتاژ پشتیبانی شارژرها در محدوده 4.05-4.2 ولت
• تراکم انرژی: 110 … 230 وات ساعت بر کیلوگرم
• مقاومت داخلی: 5 … 15 mΩ/1Ah
• تعداد چرخه شارژ / دشارژ قبل از از دست دادن 20٪ ظرفیت: 1000-5000
• زمان شارژ سریع: 15 دقیقه - 1 ساعت
• خود تخلیه در دمای اتاق: 3% در ماه
• جاریبار نسبت به ظرفیت (C):
  • ثابت - تا 65 درجه سانتیگراد، پالس - تا 500 درجه سانتیگراد
  • قابل قبول ترین: تا 1C
• محدوده دمای کارکرد: -0 ... +60 درجه سانتی گراد (باتری ها را نمی توان در دمای پایین شارژ کرد)

دستگاه

باتری لیتیوم یونی شامل الکترودهایی (مواد کاتدی روی فویل آلومینیومی و مواد آند روی فویل مسی) است که توسط جداکننده‌های متخلخل آغشته به الکترولیت از هم جدا شده‌اند. بسته الکترودها در یک محفظه مهر و موم شده قرار می گیرد، کاتدها و آندها به پایانه های کلکتور جریان متصل می شوند. بدنه دارای یک سوپاپ اطمینان است که فشار داخلی را در مواقع اضطراری و نقض شرایط عملیاتی کاهش می دهد. باتری های لیتیوم یونی در نوع مواد کاتدی مورد استفاده متفاوت هستند. حامل جریان در یک باتری لیتیوم یونی یک یون لیتیوم با بار مثبت است که با تشکیل یک ماده شیمیایی، توانایی ایجاد یک ماده شیمیایی را در شبکه کریستالی سایر مواد (به عنوان مثال، به گرافیت، اکسیدهای فلزی و نمک) دارد. پیوند، به عنوان مثال: به گرافیت با تشکیل LiC6، اکسیدها (LiMO 2) و نمک های فلزی (LiM RON). در ابتدا از لیتیوم فلزی به عنوان صفحات منفی و سپس از کک زغال سنگ استفاده شد. بعداً گرافیت شروع به استفاده کرد. تا همین اواخر، اکسیدهای لیتیوم با کبالت یا منگنز به عنوان صفحات مثبت استفاده می شد، اما به طور فزاینده ای با لیتیوم فرو فسفات جایگزین می شوند، که معلوم شد بی خطر، ارزان و غیر سمی است و می توان آن را به روشی دوستدار محیط زیست دفع کرد. باتری های لیتیوم یون در مجموعه ای با سیستم نظارت و کنترل - SKU یا BMS (سیستم مدیریت باتری) و یک دستگاه شارژ / تخلیه ویژه استفاده می شود. در حال حاضر از سه دسته مواد کاتدی در تولید انبوه باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شود: - لیتیوم کبالتات LiCoO 2 و محلول‌های جامد مبتنی بر لیتیوم نیکلات هم‌ساختار آن - لیتیوم- منگنز اسپینل LiMn 2 O 4 - لیتیوم فرو فسفات LiFePO 4. مدارهای الکتروشیمیایی باتری های لیتیوم یونی: لیتیوم-کبالت LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6 لیتیوم-فروفسفات LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6

با توجه به خود تخلیه کم و تعداد زیادی چرخه شارژ-دشارژ، باتری های لیتیوم یونی برای استفاده در انرژی های جایگزین ترجیح داده می شوند. در عین حال علاوه بر سیستم BMS (SKU) مجهز به اینورترها(مبدل ولتاژ).

مزایای

• چگالی انرژی بالا.
• خود تخلیه کم.
• غیبت اثر حافظه.
• تعمیر و نگهداری رایگان.

معایب

اولین نسل باتری های لیتیوم یونی در معرض یک اثر انفجاری قرار گرفتند. این با این واقعیت توضیح داده شد که آنها از یک آند ساخته شده از لیتیوم فلزی استفاده کردند که بر روی آن تشکیلات فضایی (دندریت ها) در طول چرخه های شارژ / تخلیه متعدد ظاهر می شوند که منجر به اتصال کوتاه الکترودها و در نتیجه آتش سوزی یا انفجار می شود. این مشکل در نهایت با جایگزینی ماده آند با گرافیت حل شد. فرآیندهای مشابهی نیز در کاتدهای باتری‌های لیتیوم یون مبتنی بر اکسید کبالت هنگام نقض شرایط عملیاتی (شارژ مجدد) رخ داد. باتری های لیتیوم فرو فسفات کاملاً فاقد این کاستی ها هستند. علاوه بر این، تمام باتری های لیتیوم یون مدرن مجهز به مدار الکترونیکی داخلی هستند که از شارژ بیش از حد و گرم شدن بیش از حد به دلیل شارژ بیش از حد جلوگیری می کند.

باتری های لیتیوم یونی با دشارژ کنترل نشده ممکن است چرخه عمر کوتاه تری نسبت به انواع دیگر باتری ها داشته باشند. هنگامی که به طور کامل تخلیه می شود، باتری های لیتیوم یونی توانایی شارژ شدن را با اتصال ولتاژ شارژ از دست می دهند. این مشکل را می توان با اعمال یک پالس ولتاژ بالاتر حل کرد، اما این بر ویژگی های بیشتر باتری های لیتیوم یون تأثیر منفی می گذارد. حداکثر "عمر" باتری لیتیوم یون زمانی حاصل می شود که شارژ از بالا در سطح 95٪ محدود شود و دشارژ 15-20٪ باشد. این حالت عملکرد توسط سیستم نظارت و کنترل BMS (SKU) پشتیبانی می شود که با هر باتری لیتیوم یونی همراه است.

شرایط ذخیره سازی بهینه برای باتری های لیتیوم یون زمانی حاصل می شود که در سطح 40-70 درصد ظرفیت باتری و در دمای حدود 5 درجه سانتی گراد شارژ شوند. در عین حال، دمای پایین عامل مهم تری برای تلفات کوچک ظرفیت در طول ذخیره سازی طولانی مدت است. میانگین عمر مفید (عمر سرویس) یک باتری لیتیوم یونی به طور متوسط ​​36 ماه است، اگرچه می تواند از 24 تا 60 ماه متغیر باشد.

از دست دادن ظرفیت ذخیره سازی:

با توجه به تمام مقررات فعلی برای ذخیره سازی و عملکرد باتری های لیتیوم یون، برای اطمینان از ذخیره سازی طولانی مدت، لازم است آنها را تا ظرفیت 70٪ هر 6 تا 9 ماه یک بار شارژ کنید.

را نیز ببینید

یادداشت

ادبیات

• Khrustalev D. A. تجمع کننده ها. م: زمرد، 2003.
• یوری فیلیپوفسکیغذای سیار. قسمت 2. (RU). ComputerraLab (26 مه 2009). - مقاله مفصل در مورد باتری های لیتیوم یونی بازیابی شده در 26 مه 2009.

پیوندها

• GOST 15596-82 شرایط و تعاریف.
• GOST 61960-2007 باتری های لیتیومی و باتری های قابل شارژ
• باتری های لیتیوم یون و لیتیوم پلیمر. iXBT (2001)
• باتری های لیتیوم یون تولید داخلی

اولین آزمایش ها در مورد ایجاد سلول های گالوانیکی لیتیوم در اوایل سال 1012 ثبت شد. یک مدل واقعی کار در سال 1940 ایجاد شد، اولین نسخه های سریال (غیر قابل شارژ!)، در دهه 70 ظاهر شد، و راهپیمایی پیروزمندانه این نوع باتری در اوایل دهه 90 آغاز شد، زمانی که شرکت ژاپنی سونی توانست بر آنها مسلط شود. تولید تجاری

در حال حاضر، اعتقاد بر این است که این یکی از نویدبخش ترین مناطق برای ایجاد منابع انرژی الکتریکی مستقل است، علیرغم هزینه نسبتاً بالا (در سطح فعلی).

مزیت اصلی این نوع باتری، چگالی انرژی بالای آن (حدود 100 وات بر ساعت به ازای هر 1 کیلوگرم وزن) و قابلیت انجام چرخه شارژ/دشارژ زیاد است.

باتری های تازه ایجاد شده نیز با یک نشانگر عالی مانند میزان تخلیه کم خود مشخص می شوند (فقط از 3 تا 5٪ در ماه اول، با کاهش بعدی در این شاخص). این اجازه می دهد

و این همه چیز نیست - در مقایسه با Ni-Cd گسترده، مدار جدید با همان ابعاد عملکردی سه برابر بدون اثر حافظه منفی را ارائه می دهد.

ویژگی های منفی

باتری های لیتیوم یونی

اول از همه - هزینه بالا، نیاز به نگه داشتن باتری در حالت شارژ و به اصطلاح "اثر پیری" که حتی زمانی که سلول گالوانیکی کار نکرده است خود را نشان می دهد. آخرین خاصیت ناخوشایند در کاهش مداوم ظرفیت ظاهر می شود که در عرض دو سال می تواند منجر به شکست کامل محصول شود.