خلايا بطارية الليثيوم-أيون: التعاريف والتصنيف ومبادئ العمل والتطبيقات في تخزين الطاقة والخلايا الكهروضوئية

على خلفية الاعتماد السريع لتخزين الطاقة الجديدة، وتوليد الطاقة الكهروضوئية، والمركبات الكهربائية، والأجهزة الإلكترونية المحمولة، أصبحت بطاريات الليثيوم الوسيلة الأكثر استخدامًا لتخزين الطاقة الكهروكيميائية. على الرغم من أن هذا المصطلح يُستخدم غالبًا بالعامية كمفهوم -كل ذلك لمختلف المنتجات المستندة إلى الليثيوم-، فمن الناحية الفنية، تشمل "بطاريات الليثيوم" فئتين متميزتين-بطاريات الليثيوم الأولية وبطاريات الليثيوم-أيون-والتي تختلف بشكل كبير في الأداء والخصائص وسيناريوهات التطبيق. برزت بطاريات الليثيوم-أيون، التي تتميز بقدرتها على الخضوع لدورات تفريغ الشحن-المتكررة وكثافتها العالية للطاقة، كخيار رئيسي لكل من التطبيقات الاستهلاكية والصناعية.

 

بالمعنى الدقيق للكلمة، تشير بطاريات الليثيوم "بطارية الفلاش" تحديدًا إلى بطاريات الليثيوم الأساسية-غير-القابلة لإعادة الشحن، والخلايا ذات الاستخدام الفردي-. يستخدم هيكلها عادةً معدن الليثيوم أو سبائك الليثيوم للأقطاب الكهربائية، مقترنًا بمحلول إلكتروليت غير مائي. تستخدم بطاريات الليثيوم الأولية التقليدية ثاني أكسيد المنغنيز كالكاثود ومعدن الليثيوم النقي كالأنود، مما يؤدي إلى تفاعل كيميائي عالي. من خلال الاستفادة من خصائص الطاقة العالية لكيمياء الليثيوم الأولية، تعد هذه البطاريات مناسبة لتطبيقات محددة تتطلب توصيل طاقة دقيقًا في سيناريوهات الاستخدام الفردي-؛ ومع ذلك، نظرًا لخصائصها المادية، لا يمكن إعادة استخدامها.

 

 

كانت الطبيعة الكيميائية شديدة التفاعل للليثيوم المعدني هي العامل الرئيسي الذي يحد من انتشار بطاريات الليثيوم الأولية التقليدية. يفرض الليثيوم المعدني النقي متطلبات صارمة للغاية فيما يتعلق بالتصنيع وظروف التخزين والبيئات التشغيلية؛ فهي تتفاعل بسهولة مع الهواء والرطوبة، مما يشكل مخاطر تتعلق بالسلامة أعاقت منذ فترة طويلة التصنيع على نطاق واسع لبطاريات الليثيوم التي تستخدم لمرة واحدة. وفي المقابل، تغلبت خلايا بطاريات أيون الليثيوم- القابلة لإعادة الشحن بشكل أساسي على هذه الاختناقات التكنولوجية، مما أتاح إمكانية إعادة التدوير والدخول في عصر جديد من الطاقة المعتمدة على الليثيوم-.

 

تمثل بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن المستخدمة حاليًا على نطاق واسع معيار الصناعة المتطور. وهي تعمل من خلال الإقحام وإزالة -الإقحام (الهجرة) لأيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود أثناء دورات الشحن والتفريغ؛ وبما أن الليثيوم المعدني النقي لا يشارك في التفاعل، يتم تعزيز السلامة والاستقرار بشكل كبير. تعمل هذه البطاريات القابلة لإعادة الشحن على تشغيل مجموعة واسعة من التطبيقات، بدءًا من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والمعدات الصناعية وحتى مركبات الطاقة الجديدة.

 

أدت عقود من التطور التكنولوجي إلى تطوير العديد من أنظمة المواد الكاثودية السائدة لبطاريات أيون الليثيوم- لتناسب الاحتياجات التشغيلية المختلفة؛ والجدير بالذكر أن فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) برز كمادة أساسية لتخزين الطاقة الصناعية. تشمل مواد الكاثود الشائعة أكسيد كوبالت الليثيوم، وأكسيد منغنيز الليثيوم، وأكسيد نيكل الليثيوم، وفوسفات حديد الليثيوم؛ يحدد اختيار المادة سلامة البطارية ودورة حياتها وكثافة الطاقة. بفضل سلامتها الفائقة ودورة حياتها الطويلة بشكل استثنائي، أصبحت خلايا LFP هي الخيار المفضل لتخزين الطاقة وتطبيقات الطاقة الدافعة.

 

يتم تصنيف بطاريات الليثيوم-أيون حسب حالتها الإلكتروليتية إلى أنواع الإلكتروليت-السائلة والبوليمر-الأنواع الإلكتروليتية. تستخدم بطاريات الإلكتروليت السائلة-الإلكتروليت السائل؛ فهي تتميز بتكنولوجيا ناضجة وتكاليف يمكن التحكم فيها، مما يجعلها الخيار السائد لبطاريات مركبات الطاقة الجديدة. تستخدم بطاريات الإلكتروليت البوليمرية-إلكتروليت بوليمر صلب جاف أو هلامي، مما يوفر عامل شكل أنحف وأخف وزنًا وأمانًا معززًا. تجمع خلايا LFP بين كيمياء فوسفات حديد الليثيوم وعمليات التصنيع الناضجة، مما يؤدي إلى موازنة الأداء والتكلفة لتناسب مختلف -تطبيقات الطاقة العالية.

 

تم طرحها تجاريًا في عام 1992، حيث حلت بطاريات الليثيوم-أيون-التي تتميز بمزايا مثل كثافة الطاقة العالية، وغياب تأثير الذاكرة، وانخفاض معدلات التفريغ الذاتي--حل محل بطاريات الرصاص-الحمضية التقليدية وبطاريات الليثيوم الأولية من الجيل-. بالمقارنة مع البطاريات التقليدية، فهي تدعم دورات الشحن-التفريغ المتكررة وتوفر فترة خدمة ممتدة بشكل كبير، مما يجعلها مناسبة للسيناريوهات التي تتطلب تشغيلًا مستمرًا-على المدى الطويل. حققت صناعة تخزين طاقة البطاريات{11}}نشرًا روتينيًا واسع النطاق لمحطات طاقة تخزين الطاقة.