كل الأقسام

بطارية الليثيوم أيون

موقع مرافئ

بطارية الليثيوم أيون

بطارية الليثيوم أيون


بطارية ليثيوم أيون أو بطارية ليثيوم أيون هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن حيث تنتقل أيونات الليثيوم من القطب السالب عبر إلكتروليت إلى القطب الموجب أثناء التفريغ والعودة عند الشحن. تستخدم بطاريات Li-ion مركب الليثيوم المقحم كمواد عند القطب الموجب وعادة ما يكون الجرافيت عند القطب السالب.

تتميز بطاريات Li-ion بكثافة طاقة عالية ، وليس لها تأثير على الذاكرة (بخلاف خلايا LFP) وتفريغ ذاتي منخفض. يمكن تصنيع الخلايا لإعطاء الأولوية للطاقة أو كثافة الطاقة. ومع ذلك ، يمكن أن تشكل خطرًا على السلامة لأنها تحتوي على إلكتروليتات قابلة للاشتعال ، وفي حالة تلفها أو شحنها بشكل غير صحيح يمكن أن تؤدي إلى انفجارات وحرائق.

تم تطوير نموذج أولي لبطارية Li-ion من قبل Akira Yoshino في عام 1985 ، بناءً على بحث سابق أجراه John Goodenough و M. تم تطوير بطارية Li-ion التجارية بواسطة فريق Sony و Asahi Kasei بقيادة يوشيو نيشي في عام 1991. تستخدم بطاريات ليثيوم أيون بشكل شائع للإلكترونيات المحمولة والمركبات الكهربائية وتزداد شعبيتها في التطبيقات العسكرية والفضائية.

تختلف خصائص الكيمياء والأداء والتكلفة والسلامة باختلاف أنواع بطاريات أيونات الليثيوم. تستخدم الإلكترونيات المحمولة في الغالب بطاريات ليثيوم بوليمر (مع هلام بوليمر مثل إلكتروليت) ، أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO

مادة الكاثود ، وأنود الجرافيت ، اللذان يوفران معًا كثافة طاقة عالية. فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO

أكسيد الليثيوم والمنغنيز (LiMn2O4

المواد ذات الطبقات الغنية بالليثيوم ذات الأساس 3 ، LMR-NMC) ، وأكسيد الكوبالت والمنغنيز والنيكل والنيكل (LiNiMnCoO

2 أو NMC) حياة أطول وقد يكون لديها قدرة معدل أفضل. تستخدم هذه البطاريات على نطاق واسع للأدوات الكهربائية والمعدات الطبية والأدوار الأخرى. تستخدم NMC ومشتقاتها على نطاق واسع في السيارات الكهربائية.

تشمل مجالات البحث الخاصة ببطاريات الليثيوم أيون إطالة العمر ، وزيادة كثافة الطاقة ، وتحسين السلامة ، وخفض التكلفة ، وزيادة سرعة الشحن ، من بين أمور أخرى. يجري البحث في مجال الإلكتروليتات غير القابلة للاشتعال كمسار لزيادة الأمان على أساس القابلية للاشتعال والتطاير للمذيبات العضوية المستخدمة في الإلكتروليت النموذجي. تشمل الإستراتيجيات بطاريات الليثيوم أيون المائية ، وإلكتروليتات صلبة خزفية ، وإلكتروليتات بوليمر ، وسوائل أيونية ، وأنظمة شديدة الفلورة

تاريخ تطور بطارية ليثيوم أيون


يعود البحث عن بطاريات Li-ion القابلة لإعادة الشحن إلى الستينيات ؛ أحد أقدم الأمثلة هو CuF
2 / بطارية Li التي طورتها وكالة ناسا عام 1965. الإنجاز الذي أنتج أقدم شكل لبطارية Li-ion الحديثة صنعه الكيميائي البريطاني M. Stanley Whittingham في عام 1974 ، الذي استخدم ثاني كبريتيد التيتانيوم (TiS) لأول مرة
2) كمادة الكاثود ، التي لها هيكل متعدد الطبقات يمكن أن يأخذ أيونات الليثيوم دون تغييرات كبيرة في هيكلها البلوري. حاولت Exxon تسويق هذه البطارية في أواخر السبعينيات ، لكنها وجدت أن التركيب باهظ الثمن ومعقد ، مثل TiS
2 - حساس للرطوبة ويطلق H سامة
2S غاز عند ملامسته للماء. وبشكل أكثر تعقيدًا ، كانت البطاريات أيضًا عرضة للاشتعال تلقائيًا بسبب وجود الليثيوم المعدني في الخلايا.

في عام 1980 ، استبدل Koichi Mizushima و John B. Goodenough ، بعد اختبار مجموعة من المواد البديلة ، TiS
2 مع أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO
2 ، أو LCO) ، والتي لها بنية ذات طبقات مماثلة ولكنها توفر جهدًا أعلى وأكثر استقرارًا في الهواء. سيتم استخدام هذه المادة لاحقًا في أول بطارية ليثيوم أيون تجارية ، على الرغم من أنها لم تحل بمفردها مشكلة القابلية للاشتعال المستمرة. في نفس العام ، أظهر رشيد اليزمي التبادل الكهروكيميائي العكسي لليثيوم في الجرافيت ، واخترع قطب غرافيت الليثيوم (الأنود).

استخدمت هذه المحاولات المبكرة لتطوير بطاريات Li-ion القابلة لإعادة الشحن أنودات الليثيوم المعدنية ، والتي تم التخلي عنها في النهاية بسبب مخاوف تتعلق بالسلامة ، حيث أن معدن الليثيوم غير مستقر وعرضة لتشكيل التغصنات ، مما قد يتسبب في حدوث قصر في الدائرة. كان الحل النهائي هو استخدام أنود إقحام ، مشابه لذلك المستخدم في الكاثود ، والذي يمنع تكوين معدن الليثيوم أثناء شحن البطارية. تمت دراسة مجموعة متنوعة من مواد الأنود ؛ في عام 1987 ، حصل أكيرا يوشينو على براءة اختراع لما سيصبح أول بطارية ليثيوم أيون تجارية باستخدام أنود من "الكربون الناعم" (مادة تشبه الفحم) جنبًا إلى جنب مع كاثود LCO الذي تم الإبلاغ عنه سابقًا من Goodenough والإلكتروليت القائم على إستر الكربونات. في عام 1991 ، وباستخدام تصميم يوشينو ، بدأت سوني في إنتاج وبيع أول بطاريات ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن في العالم. في العام التالي ، أطلق مشروع مشترك بين شركة توشيبا وشركة أساشي كاسي أيضًا بطارية ليثيوم أيون الخاصة بهم.

تم تحقيق تحسينات كبيرة في كثافة الطاقة في التسعينيات من خلال استبدال أنود الكربون الناعم أولاً بالكربون الصلب ثم لاحقًا بالجرافيت ، وهو مفهوم اقترحه في الأصل يورغن أوتو بيسينهارد في عام 1974 ولكنه اعتبر غير ممكن بسبب عدم التوافق مع الإلكتروليتات المستخدمة في ذلك الوقت.

في عام 2012 ، حصل John B. Goodenough و Rachid Yazami و Akira Yoshino على ميدالية IEEE لعام 2012 لتقنيات البيئة والسلامة لتطوير بطارية ليثيوم أيون ؛ حصل Goodenough و Whittingham و Yoshino على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019 "لتطوير بطاريات أيونات الليثيوم".

في عام 2010 ، كانت الطاقة الإنتاجية العالمية لبطاريات الليثيوم أيون 20 جيجاوات / ساعة. بحلول عام 2016 ، كان 28 جيجاواط / ساعة ، مع 16.4 جيجاواط / ساعة في الصين. تقدر المصادر المختلفة الإنتاج في عام 2022 بما يتراوح بين 200 و 600 جيجاوات ساعة ، وتتراوح التوقعات لعام 2023 من 400 إلى 1100 جيجاوات ساعة.

تصميم خلية بطارية ليثيوم أيون


بطارية ليثيوم أيون بحجم 18650 ، مع قلوية AA للقياس. يتم استخدام 18650 على سبيل المثال في أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو Tesla Model S.
بشكل عام ، يتكون القطب السالب لخلية الليثيوم أيون التقليدية من الكربون. عادة ما يكون القطب الموجب عبارة عن أكسيد فلز. المنحل بالكهرباء هو ملح ليثيوم في مذيب عضوي. تنعكس الأدوار الكهروكيميائية للأقطاب بين الأنود والكاثود ، اعتمادًا على اتجاه تدفق التيار عبر الخلية.

الأنود الأكثر استخدامًا تجاريًا (القطب السالب) هو الجرافيت ، والذي يرتبط في حالته الكاملة الليثية من LiC6 بسعة قصوى تبلغ 1339 درجة مئوية / جم (372 مللي أمبير / جم). يكون القطب الموجب عمومًا واحدًا من ثلاث مواد: أكسيد ذو طبقات (مثل أكسيد الكوبالت الليثيوم) ، أو بوليانيون (مثل فوسفات حديد الليثيوم) أو الإسبنيل (مثل أكسيد منجنيز الليثيوم). تشتمل المزيد من المواد التجريبية على أقطاب كهربائية تحتوي على الجرافين ، على الرغم من أن هذه لا تزال بعيدة عن كونها مجدية تجاريًا نظرًا لارتفاع تكلفتها.

يتفاعل الليثيوم بقوة مع الماء لتكوين هيدروكسيد الليثيوم (LiOH) وغاز الهيدروجين. وبالتالي ، عادةً ما يتم استخدام إلكتروليت غير مائي ، والحاوية محكمة الغلق تستبعد الرطوبة من عبوة البطارية. عادة ما يكون المحلول الكهربائي غير المائي عبارة عن خليط من الكربونات العضوية مثل كربونات الإيثيلين أو كربونات ثنائي إيثيل تحتوي على معقدات أيونات الليثيوم. يكون الملح دائمًا تقريبًا عبارة عن سداسي فلورو فوسفات الليثيوم (LiPF
6) ، والذي يجمع بين التوصيل الأيوني الجيد مع الاستقرار الكيميائي والكهروكيميائي. أملاح أخرى مثل الليثيوم بيرشلو معدل (LiClO
4) ، الليثيوم رباعي فلورو بورات (LiBF
4) ، وليثيوم مكرر (ثلاثي فلورو الميثان سلفونيل) إيميد
2) كثيرًا ما تستخدم في البحث لأسباب تتعلق بالتكلفة أو الراحة ولكنها غير قابلة للاستخدام في الخلايا التجارية.
اعتمادًا على خيارات المواد ، يمكن أن يتغير الجهد وكثافة الطاقة وعمر وسلامة بطارية ليثيوم أيون بشكل كبير. كان الجهد الحالي يستكشف استخدام معماريات جديدة باستخدام تقنية النانو لتحسين الأداء. تشمل مجالات الاهتمام مواد الأقطاب الكهربائية على نطاق النانو وهياكل الأقطاب الكهربائية البديلة.
أدى الطلب المتزايد على البطاريات إلى قيام البائعين والأكاديميين بالتركيز على تحسين كثافة الطاقة ، ودرجة حرارة التشغيل ، والسلامة ، والمتانة ، ووقت الشحن ، وطاقة الإخراج ، والقضاء على متطلبات الكوبالت ، وتكلفة تكنولوجيا بطاريات الليثيوم أيون .

الكيمياء الكهربائية

المواد المتفاعلة في التفاعلات الكهروكيميائية في خلية أيون الليثيوم هي مواد من الأنود والكاثود ، وكلاهما مركبات تحتوي على ذرات الليثيوم. أثناء الشحن ، ينتج تفاعل نصف أكسدة عند الأنود أيونات ليثيوم موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة. قد ينتج عن تفاعل نصف الأكسدة أيضًا مادة غير مشحونة تبقى عند الأنود. تتحرك أيونات الليثيوم عبر الإلكتروليت ، وتتحرك الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية ، ثم تتحد عند الكاثود (مع مادة الكاثود) في تفاعل نصف اختزال. يوفر المنحل بالكهرباء والدائرة الخارجية وسائط موصلة لأيونات الليثيوم والإلكترونات ، على التوالي ، لكنهما لا يشتركان في التفاعل الكهروكيميائي. أثناء التفريغ ، تتدفق الإلكترونات من القطب السالب (الأنود) نحو القطب الموجب (الكاثود) عبر الدائرة الخارجية. تؤدي التفاعلات أثناء التفريغ إلى تقليل الإمكانات الكيميائية للخلية ، لذا فإن التفريغ ينقل الطاقة من الخلية إلى أي مكان يتبدد فيه التيار الكهربائي طاقته ، غالبًا في الدائرة الخارجية. أثناء الشحن ، تسير هذه التفاعلات والنقل في الاتجاه المعاكس: تتحرك الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب عبر الدائرة الخارجية. لشحن الخلية ، يجب أن توفر الدائرة الخارجية طاقة كهربائية. ثم يتم تخزين هذه الطاقة كطاقة كيميائية في الخلية (مع بعض الخسارة ، على سبيل المثال ، بسبب كفاءة الكولومبية أقل من 1).

يسمح كلا القطبين لأيونات الليثيوم بالتحرك داخل وخارج هياكلها من خلال عملية تسمى الإدخال (الإقحام) أو الاستخراج (إزالة التداخل) ، على التوالي.

نظرًا لأن أيونات الليثيوم "صخرة" ذهابًا وإيابًا بين القطبين ، تُعرف هذه البطاريات أيضًا باسم "بطاريات الكرسي الهزاز" أو "البطاريات المتأرجحة" (وهو مصطلح تعطيه بعض الصناعات الأوروبية).

تمثل المعادلات التالية الكيمياء.

نصف تفاعل القطب الموجب (الكاثود) في ركيزة أكسيد الكوبالت المشبع بالليثيوم هو

{\ displaystyle {\ ce {CoO2 + Li + + e- <=> LiCoO2}}} {\ displaystyle {\ ce {CoO2 + Li + + e- <=> LiCoO2}}}
القطب السالب (الأنود) نصف تفاعل الجرافيت هو

{\ displaystyle {\ ce {LiC6 <=> C6 + Li + + e ^ -}}} {\ displaystyle {\ ce {LiC6 <=> C6 + Li + + e ^ -}}}
رد الفعل الكامل (من اليسار إلى اليمين: التفريغ ، من اليمين إلى اليسار: الشحن)

{\ displaystyle {\ ce {LiC6 + CoO2 <=> C6 + LiCoO2}}} {\ displaystyle {\ ce {LiC6 + CoO2 <=> C6 + LiCoO2}}}
رد الفعل الكلي له حدوده. الإفراط في التفريغ المفرط لأكسيد الكوبالت الليثيوم ، مما يؤدي إلى إنتاج أكسيد الليثيوم ، ربما عن طريق التفاعل التالي الذي لا رجعة فيه:

{\ displaystyle {\ ce {Li + + e ^ - + LiCoO2 -> Li2O + CoO}}} {\ displaystyle {\ ce {Li + e ^ - + LiCoO2 -> Li2O + CoO}}}
يؤدي الشحن الزائد حتى 5.2 فولت إلى تكوين أكسيد الكوبالت (IV) ، كما يتضح من حيود الأشعة السينية:

{\ displaystyle {\ ce {LiCoO2 -> Li + + CoO2 + e ^ -}}} {\ displaystyle {\ ce {LiCoO2 -> Li + + CoO2 + e ^ -}}}
في بطارية ليثيوم أيون ، يتم نقل أيونات الليثيوم من وإلى الأقطاب الموجبة أو السالبة عن طريق أكسدة المعدن الانتقالي ، الكوبالت (Co) ، في Li 1-xCoO 2 من Co3 + إلى Co4 + أثناء الشحن ، وخفض من Co4 + إلى Co3 +
أثناء التفريغ. يكون تفاعل القطب الكوبالت قابلاً للعكس فقط لـ x <0.5 (x بوحدات الخلد) ، مما يحد من عمق التفريغ المسموح به. تم استخدام هذه الكيمياء في خلايا Li-ion التي طورتها Sony في عام 1990.

طاقة الخلية تساوي الجهد مضروبًا في الشحنة. يمثل كل جرام من الليثيوم ثابت فاراداي / 6.941 ، أو 13901 كولوم. عند 3 فولت ، ينتج عن ذلك 41.7 كيلو جول لكل جرام من الليثيوم ، أو 11.6 كيلو واط في الساعة لكل كيلوجرام من الليثيوم. هذا أكثر قليلاً من حرارة احتراق البنزين ولكنه لا يأخذ في الاعتبار المواد الأخرى التي تدخل في بطارية الليثيوم والتي تجعل بطاريات الليثيوم أثقل عدة مرات لكل وحدة طاقة.
تكون الفولتية الخلوية الواردة في قسم الكيمياء الكهربائية أكبر من الإمكانات التي تتحلل فيها المحاليل المائية.
تتكون الإلكتروليتات السائلة في بطاريات الليثيوم أيون من أملاح الليثيوم ، مثل LiPF 6 ، LiBF 4 أو LiClO
4 في مذيب عضوي ، مثل كربونات الإيثيلين وكربونات ثنائي ميثيل وثنائي إيثيل الكربوهيدرات onate. يعمل المنحل بالكهرباء السائل كمسار موصل لحركة الكاتيونات التي تمر من الأقطاب السالبة إلى الأقطاب الموجبة أثناء التفريغ. تتراوح الموصلات النموذجية للإلكتروليت السائل في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت)) في نطاق 10 مللي ثانية / سم ، وتزداد بحوالي 30-40٪ عند 40 درجة مئوية (104 درجة فهرنهايت) وتتناقص قليلاً عند 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت). يوفر الجمع بين الكربونات الخطية والحلقة (على سبيل المثال ، كربونات الإيثيلين (EC) وكربونات ثنائي ميثيل (DMC)) موصلية عالية وقدرة على تشكيل الطور البيني للكهرباء الصلبة (SEI). تتحلل المذيبات العضوية بسهولة على الأقطاب الكهربائية السالبة أثناء الشحن. عند استخدام المذيبات العضوية المناسبة كإلكتروليت ، يتحلل المذيب عند الشحن الأولي ويشكل طبقة صلبة تسمى الطور البيني للإلكتروليت الصلب ، وهي عازلة كهربيًا ، ولكنها توفر موصلية أيونية مهمة. يمنع الطور البيني المزيد من تحلل الإلكتروليت بعد الشحنة الثانية. على سبيل المثال ، تتحلل كربونات الإيثيلين عند جهد مرتفع نسبيًا ، 0.7 فولت مقابل الليثيوم ، وتشكل واجهة كثيفة ومستقرة. توفر الإلكتروليتات المركبة على أساس POE (بولي (أوكسي إيثيلين)) واجهة مستقرة نسبيًا. يمكن أن يكون صلبًا (وزن جزيئي مرتفع) ويمكن تطبيقه في خلايا Li-polymer جافة ، أو سائل (وزن جزيئي منخفض) ويتم تطبيقه في خلايا Li-ion العادية. السوائل الأيونية في درجة حرارة الغرفة (RTILs) هي طريقة أخرى للحد من القابلية للاشتعال وتقلب الإلكتروليتات العضوية.

تتضمن التطورات الحديثة في تكنولوجيا البطاريات استخدام مادة صلبة كمادة إلكتروليت. أكثر هذه الواعدة هي الخزف. الإلكتروليتات الخزفية الصلبة هي في الغالب أكاسيد فلز الليثيوم ، والتي تسمح بنقل أيونات الليثيوم عبر المادة الصلبة بسهولة أكبر بسبب الليثيوم الداخلي. الفائدة الرئيسية للإلكتروليتات الصلبة هي عدم وجود خطر حدوث تسربات ، وهي مشكلة خطيرة تتعلق بسلامة البطاريات التي تحتوي على إلكتروليتات سائلة. يمكن تقسيم الإلكتروليتات الخزفية الصلبة إلى فئتين رئيسيتين: السيراميك والزجاج. الإلكتروليتات الصلبة الخزفية عبارة عن مركبات مرتبة بدرجة عالية لها هياكل بلورية تحتوي عادةً على قنوات نقل أيونية. الإلكتروليتات الخزفية الشائعة هي موصلات أيونات الليثيوم الفائقة (LISICON) والبيروفسكايت. الإلكتروليتات الصلبة الزجاجية عبارة عن هياكل ذرية غير متبلورة تتكون من عناصر مماثلة للإلكتروليتات الخزفية الصلبة ولكنها تتمتع بموصلية أعلى بشكل عام بسبب الموصلية العالية عند حدود الحبوب. يمكن جعل الإلكتروليتات الزجاجية والسيراميك موصلة للأيونات بشكل أكبر عن طريق استبدال الكبريت بالأكسجين. يسمح نصف قطر الكبريت الأكبر وقدرته العالية على الاستقطاب بتوصيل أعلى للليثيوم. هذا يساهم في موصلات الإلكتروليتات الصلبة التي تقترب من التكافؤ مع نظيراتها السائلة ، مع معظمها في حدود 0.1 مللي ثانية / سم والأفضل عند 10 مللي ثانية / سم. طريقة فعالة واقتصادية لضبط خصائص الإلكتروليتات المستهدفة عن طريق إضافة مكون ثالث بتركيزات صغيرة ، والمعروفة باسم مادة مضافة. بإضافة المادة المضافة بكميات صغيرة ، لن تتأثر الخصائص الحجمية لنظام الإلكتروليت بينما يمكن تحسين الخاصية المستهدفة بشكل كبير. يمكن تقسيم الإضافات العديدة التي تم اختبارها إلى الفئات المميزة الثلاث التالية: (1) تلك المستخدمة في تعديلات كيمياء SEI ؛ (2) تلك المستخدمة لتحسين خصائص التوصيل الأيوني ؛ (3) تلك المستخدمة لتحسين سلامة الخلية (مثل منع الشحن الزائد)

الشحن والتفريغ بطارية ليثيوم أيون

أثناء التفريغ ، أيونات الليثيوم (Li +) حمل التيار داخل البطارية من القطب السالب إلى القطب الموجب ، عبر المنحل بالكهرباء غير المائي والحجاب الحاجز الفاصل.

أثناء الشحن ، يطبق مصدر طاقة كهربائية خارجي (دائرة الشحن) جهدًا زائدًا (جهد أعلى مما تنتجه البطارية ، من نفس القطبية) ، مما يجبر تيار الشحن على التدفق داخل البطارية من القطب الموجب إلى القطب السالب ، أي في الاتجاه العكسي لتيار التفريغ في ظل الظروف العادية. ثم تهاجر أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب ، حيث تصبح مطمورة في مادة القطب المسامي في عملية تعرف باسم الإقحام.

يمكن أن تصل خسائر الطاقة الناتجة عن مقاومة التلامس الكهربائي عند الأسطح البينية بين طبقات القطب وعند ملامسة مجمعات التيار إلى 20٪ من إجمالي تدفق الطاقة للبطاريات في ظل ظروف التشغيل النموذجية.

تختلف إجراءات الشحن لخلايا Li-ion المفردة وبطاريات Li-ion الكاملة قليلاً:

يتم شحن خلية Li-ion المفردة على مرحلتين:
تيار مستمر (CC).
الجهد المستمر (CV).
يتم شحن بطارية Li-ion (مجموعة من خلايا Li-ion في سلسلة) على ثلاث مراحل:
تيار مستمر.
التوازن (غير مطلوب بمجرد توازن البطارية).
الجهد المستمر.
أثناء مرحلة التيار الثابت ، يطبق الشاحن تيارًا ثابتًا على البطارية بجهد متزايد باطراد ، حتى الجهد تم الوصول إلى الحد الأقصى لكل خلية.

أثناء مرحلة التوازن ، يقوم الشاحن بتقليل تيار الشحن (أو دورات الشحن وإيقافه لتقليل متوسط ​​التيار) بينما يتم إحضار حالة شحن الخلايا الفردية إلى نفس المستوى بواسطة دائرة موازنة ، حتى تتم موازنة البطارية. بعض أجهزة الشحن السريعة تتخطى هذه المرحلة. تحقق بعض أجهزة الشحن التوازن عن طريق شحن كل خلية بشكل مستقل.

أثناء مرحلة الجهد الثابت ، يطبق الشاحن جهدًا يساوي الحد الأقصى لجهد الخلية مضروبًا في عدد الخلايا في السلسلة على البطارية ، حيث ينخفض ​​التيار تدريجيًا نحو الصفر ، حتى يصبح التيار أقل من عتبة محددة تبلغ حوالي 3٪ من القيمة الأولية تيار الشحن المستمر.

تتصدر الشحنات الدورية حوالي مرة واحدة لكل 500 ساعة. يوصى ببدء الشحن العلوي عندما يقل الجهد عن 4.05 فولت / خلية.

يمكن أن يؤدي عدم اتباع قيود التيار والجهد إلى حدوث انفجار.

حدود درجة حرارة شحن Li-ion أكثر صرامة من حدود التشغيل. تعمل كيمياء الليثيوم أيون بشكل جيد في درجات الحرارة المرتفعة ولكن التعرض للحرارة لفترات طويلة يقلل من عمر البطارية. توفر بطاريات Li-ion أداء شحن جيدًا في درجات حرارة منخفضة وقد تسمح "بالشحن السريع" في نطاق درجة حرارة من 5 إلى 45 درجة مئوية (41 إلى 113 درجة فهرنهايت). يجب إجراء الشحن ضمن نطاق درجة الحرارة هذا. في درجات حرارة تتراوح من 0 إلى 5 درجات مئوية ، يمكن الشحن ، ولكن يجب تقليل تيار الشحن. أثناء الشحن بدرجة حرارة منخفضة ، يكون الارتفاع الطفيف في درجة الحرارة فوق درجة الحرارة المحيطة بسبب مقاومة الخلية الداخلية مفيدًا. قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة أثناء الشحن إلى تدهور البطارية والشحن عند درجات حرارة أعلى من 45 درجة مئوية سيؤدي إلى تدهور أداء البطارية ، بينما في درجات الحرارة المنخفضة قد تزيد المقاومة الداخلية للبطارية ، مما يؤدي إلى بطء الشحن وبالتالي فترات شحن أطول.لا ينبغي شحن بطاريات الليثيوم أيون للمستهلكين في درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت). على الرغم من أن حزمة البطارية قد تبدو وكأنها تشحن بشكل طبيعي ، إلا أن الطلاء الكهربائي للليثيوم المعدني يمكن أن يحدث عند القطب السالب أثناء الشحن تحت التجمد ، وقد لا يمكن إزالته حتى عن طريق التدوير المتكرر. لا تسمح معظم الأجهزة المزودة ببطاريات Li-ion بالشحن خارج 0-45 درجة مئوية لأسباب تتعلق بالسلامة ، باستثناء الهواتف المحمولة التي قد تسمح بدرجة معينة من الشحن عند اكتشاف مكالمة طوارئ قيد التنفيذ.

بطارية ليثيوم أيون من كمبيوتر محمول (176 كيلو جول)

تفريغ البطاريات تدريجيًا ذاتيًا حتى لو لم تكن موصولة وتوصيل التيار. تتميز بطاريات Li-ion القابلة لإعادة الشحن بمعدل تفريغ ذاتي عادة من قبل الشركات المصنعة ليكون 1.5-2٪ شهريًا.

يزيد المعدل مع درجة الحرارة وحالة الشحن. وجدت دراسة أجريت عام 2004 أنه بالنسبة لمعظم ظروف ركوب الدراجات ، كان التفريغ الذاتي يعتمد بشكل أساسي على الوقت ؛ ومع ذلك ، بعد عدة أشهر من الوقوف في دائرة مفتوحة أو شحنة عائمة ، أصبحت الخسائر المعتمدة على حالة الشحن كبيرة. لم يزد معدل التفريغ الذاتي بشكل رتيب مع حالة الشحن ، ولكنه انخفض إلى حد ما في حالات الشحن الوسيطة. قد تزيد معدلات التفريغ الذاتي مع تقدم عمر البطاريات. في عام 1999 ، تم قياس التفريغ الذاتي شهريًا عند 8٪ عند 21 درجة مئوية ، 15٪ عند 40 درجة مئوية ، 31٪ عند 60 درجة مئوية. بحلول عام 2007 ، قُدِّر معدل التفريغ الذاتي الشهري بنسبة 2٪ إلى 3٪ ، -3٪ بحلول عام 2016.

بالمقارنة ، انخفض معدل التفريغ الذاتي لبطاريات NiMH ، اعتبارًا من عام 2017 ، من ما يصل إلى 30٪ شهريًا للخلايا الشائعة سابقًا إلى حوالي 0.08-0.33٪ شهريًا لبطاريات NiMH منخفضة التفريغ الذاتي ، ويستخدم حوالي 10٪ شهريًا في بطاريات NiCd.

الكاثود

يتم تصنيع مواد الكاثود بشكل عام من LiCoO2 أو LiMn2O

4. تطور المادة التي أساسها الكوبالت هيكلًا شبه رباعي السطوح يسمح بانتشار أيون الليثيوم ثنائي الأبعاد. تعتبر الكاثودات القائمة على الكوبالت مثالية بسبب السعة الحرارية النظرية العالية ، والقدرة الحجمية العالية ، والتفريغ الذاتي المنخفض ، والجهد العالي للتفريغ ، والأداء الجيد للدراجات. تشمل القيود التكلفة العالية للمادة ، والاستقرار الحراري المنخفض. تعتمد المواد التي أساسها المنغنيز نظامًا شبكيًا بلوريًا مكعبًا ، والذي يسمح بنشر الليثيوم أيون ثلاثي الأبعاد. تعتبر كاثودات المنغنيز جذابة لأن المنغنيز أرخص سعرًا ولأنه يمكن نظريًا استخدامه لصنع بطارية أكثر كفاءة وطويلة الأمد إذا أمكن التغلب على قيودها. تشمل القيود ميل المنجنيز إلى الذوبان في الإلكتروليت أثناء ركوب الدراجات مما يؤدي إلى ضعف استقرار الدورة للكاثود. الكاثودات القائمة على الكوبالت هي الأكثر شيوعًا ، ولكن يتم البحث عن مواد أخرى بهدف خفض التكاليف وتحسين عمر البطارية.

اعتبارًا من عام 2017 ، LiFePO

4 هو مرشح للإنتاج على نطاق واسع لبطاريات الليثيوم أيون مثل تطبيقات المركبات الكهربائية نظرًا لتكلفتها المنخفضة وأمانها الممتاز ومتانتها العالية. على سبيل المثال ، حافظت بطاريات Sony Fortelion على 74٪ من سعتها بعد ص 8000 دورة مع تفريغ 100٪. مطلوب عامل موصل للكربون للتغلب على الموصلية الكهربائية المنخفضة.

الأنود

المقال الرئيسي: البحث في بطاريات الليثيوم أيون § الأنود
تُصنع مواد القطب السالب تقليديًا من الجرافيت ومواد الكربون الأخرى ، على الرغم من استخدام المواد الأحدث القائمة على السيليكون بشكل متزايد (انظر بطارية Nanowire). تُستخدم هذه المواد لأنها وفيرة وهي موصلة كهربائياً ويمكن أن تقطع أيونات الليثيوم لتخزين شحنة كهربائية مع تمدد حجم متواضع (حوالي 10٪). السبب في أن الجرافيت هو المادة المهيمنة هو بسبب الجهد المنخفض والأداء الممتاز. تم إدخال مواد مختلفة ولكن جهدها مرتفع مما يؤدي إلى انخفاض كثافة الطاقة. الجهد المنخفض للمادة هو المطلب الرئيسي ؛ خلاف ذلك ، فإن السعة الزائدة عديمة الفائدة من حيث كثافة الطاقة.

نظرًا لأن الجرافيت محدود بسعة قصوى تبلغ 372 مللي أمبير / جم فقد تم تخصيص الكثير من الأبحاث لتطوير المواد التي تظهر قدرات نظرية أعلى ، والتغلب على التحديات التقنية التي تعوق تنفيذها حاليًا. مقالة مراجعة شاملة لعام 2007 بقلم Kasavajjula et al. يلخص الأبحاث المبكرة حول الأنودات القائمة على السيليكون لخلايا أيون الليثيوم الثانوية. على وجه الخصوص ، هونغ لي وآخرون. أظهر في عام 2000 أن الإدخال الكهروكيميائي لأيونات الليثيوم في جسيمات السيليكون النانوية وأسلاك السيليكون النانوية يؤدي إلى تكوين سبيكة Li-Si غير متبلورة. في نفس العام ، وصف بو جاو ومستشاره للدكتوراه ، البروفيسور أوتو زو ، دورة الخلايا الكهروكيميائية ذات الأنودات التي تتكون من أسلاك نانوية من السيليكون ، ذات قدرة عكسية تتراوح من 900 إلى 1500 مللي أمبير / غرام على الأقل.

لتحسين استقرار أنود الليثيوم ، تم اقتراح عدة طرق لتركيب طبقة واقية. بدأ النظر إلى السيليكون على أنه مادة أنود لأنه يمكنه استيعاب المزيد من أيونات الليثيوم ، وتخزين ما يصل إلى 10 أضعاف الشحنة الكهربائية ، إلا أن هذا الخلط بين الليثيوم والسيليكون يؤدي إلى تمدد كبير في الحجم (حوالي 400٪) ،مما يسبب عطلًا ذريعًا للبطارية. تم استخدام السيليكون كمادة أنود ولكن إدخال واستخراج {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle Li +}}} {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle Li +}}} يمكن أن يحدث تصدعات في المادة. تعرض هذه الشقوق سطح Si إلى إلكتروليت ، مما يتسبب في التحلل وتشكيل الطور البيني للكهرباء الصلبة (SEI) على سطح Si الجديد (الجرافين المجعد المغلف بجزيئات Si النانوية). سيستمر تحسين SEI هذا في النمو بشكل أكثر سمكًا ، ويستنفد {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle Li +}}} {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle Li +}}} ، ويقلل من قدرة واستقرار دورة الأنود.

كانت هناك محاولات باستخدام العديد من الهياكل النانوية Si التي تشمل الأسلاك النانوية والأنابيب النانوية والمجالات المجوفة والجسيمات النانوية والمتناهية الصغر بهدف تحملها ({\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle Li +}}} {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle Li +}}}) - الإدراج / الإزالة بدون تشقق كبير. ومع ذلك ، لا يزال تشكيل SEI على Si يحدث. لذلك سيكون الطلاء منطقيًا ، من أجل حساب أي زيادة في حجم Si ، فإن طلاء السطح المحكم غير قابل للتطبيق. في عام 2012 ، ابتكر باحثون من جامعة نورث وسترن نهجًا لتغليف جزيئات Si النانوية باستخدام أكسيد الجرافين r-GO المجعد. تسمح هذه الطريقة بحماية جزيئات Si النانوية من الإلكتروليت بالإضافة إلى السماح بتمدد Si بدون تمدد بسبب التجاعيد والتجاعيد في كرات الجرافين.

بدأت هذه الكبسولات كتشتت مائي لجزيئات GO و Si ثم يتم رشها في ضباب من القطرات التي تمر عبر فرن الأنبوب. أثناء مرورها عبر يتبخر السائل ، يتم سحب صفائح GO إلى كرة مجعدة بواسطة قوى الشعرية وتغليف جزيئات Si معها. يوجد ملف تعريف شحن / تفريغ جلفانيستاتيكي 0.05 {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle mA / cm ^ {2}}}} {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle mA / cm ^ {2}}}} إلى 1 {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle mA / cm ^ {2}}}} {\ displaystyle {\ ce {\ scriptstyle mA / cm ^ {2}}}} للكثافات الحالية من 0.2 إلى 4 A / g ، ينتج 1200 مللي أمبير / جرام عند 0.2 أمبير / جرام.

بالكهرباء
لعبت بدائل الإلكتروليت أيضًا دورًا مهمًا ، على سبيل المثال بطارية ليثيوم بوليمر. تعد إلكتروليتات البوليمر واعدة لتقليل تكوين التغصنات في الليثيوم. من المفترض أن تمنع البوليمرات قصر الدوائر وتحافظ على الموصلية.

تنتشر الأيونات في المنحل بالكهرباء بسبب وجود تغييرات طفيفة في تركيز المنحل بالكهرباء. يعتبر الانتشار الخطي هنا فقط. التغير في التركيز ج ، كدالة للزمن تي والمسافة س ، هو

{\ displaystyle {\ frac {\ جزئي c} {\ جزئي t}} = {\ frac {D} {\ varepsilon}} {\ frac {\ جزئي ^ {2} c} {\ جزئي x ^ {2}} }.} {\ displaystyle {\ frac {\ جزئي c} {\ جزئي t}} = {\ frac {D} {\ varepsilon}} {\ frac {\ جزئي ^ {2} c} {\ جزئي x ^ { 2}}}.}
في هذه المعادلة ، D هو معامل الانتشار لأيون الليثيوم. تبلغ قيمته 7.5 × 10-10 متر مربع / ثانية في LiPF
6 المنحل بالكهرباء. قيمة ε ، مسامية المنحل بالكهرباء ، هي 0.724.

الخلايا في بطاريات الليثيوم أيون

تتوفر خلايا Li-ion (المميزة عن البطاريات بأكملها) بأشكال مختلفة ، والتي يمكن عمومًا تقسيمها إلى أربع مجموعات:

أسطواني صغير (جسم صلب بدون أطراف توصيل ، مثل تلك المستخدمة في بطاريات الكمبيوتر المحمول القديمة)
أسطواني كبير (جسم صلب مع أطراف ملولبة كبيرة)
مسطح أو كيس (جسم ناعم ومسطح ، مثل تلك المستخدمة في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الأحدث ؛ هذه بطاريات ليثيوم أيون بوليمر.
علبة بلاستيكية صلبة ذات أطراف ملولبة كبيرة (مثل حزم جر السيارة الكهربائية)
تصنع الخلايا ذات الشكل الأسطواني بطريقة "لفة سويسرية" مميزة (تُعرف باسم "لفة الجيلي" في الولايات المتحدة) ، مما يعني أنها "شطيرة" طويلة واحدة من القطب الموجب ، منفصل r ، القطب السالب ، والفاصل في بكرة واحدة. يمكن تقريب شكل لفة الهلام في الخلايا الأسطوانية بواسطة دوامة أرخميدس. تتمثل إحدى مزايا الخلايا الأسطوانية مقارنة بالخلايا ذات الأقطاب الكهربائية المكدسة في سرعة الإنتاج الأسرع. يمكن أن يكون أحد عيوب الخلايا الأسطوانية هو التدرج الكبير في درجة الحرارة الشعاعية داخل الخلايا التي تتطور عند تيارات التفريغ العالية.

يعطي عدم وجود غلاف لخلايا الحقيبة أعلى كثافة للطاقة الجاذبية ؛ ومع ذلك ، بالنسبة للعديد من التطبيقات العملية ، لا تزال تتطلب وسيلة خارجية للاحتواء لمنع التوسع عندما يكون مستوى الشحن (SOC) مرتفعًا ، وللاستقرار الهيكلي العام لحزمة البطارية التي هي جزء منها. يُشار أحيانًا إلى كل من الخلايا البلاستيكية الصلبة والخلايا ذات نمط الأكياس بالخلايا المنشورية نظرًا لأشكالها المستطيلة. يرى محلل تكنولوجيا البطاريات مارك إليس من شركة Munro & Associates ثلاثة أنواع أساسية من بطاريات Li-ion المستخدمة في بطاريات السيارات الكهربائية الحديثة (~ 2020) على نطاق واسع: الخلايا الأسطوانية (على سبيل المثال ، Tesla) ، الحقيبة المنشورية (على سبيل المثال ، من LG) ، والعلبة المنشورية الخلايا (على سبيل المثال ، من LG و Samsung و Panasonic وغيرها). لكل عامل شكل مزايا وعيوب مميزة لاستخدام المركبات الكهربائية.

منذ عام 2011 ، أعلنت عدة مجموعات بحثية عن عروض لبطاريات تدفق أيونات الليثيوم التي تعلق الكاثود أو مادة الأنود في محلول مائي أو عضوي.

في عام 2014 ، أنشأت باناسونيك أصغر بطارية ليثيوم أيون. إنه على شكل دبوس. يبلغ قطرها 3.5 ملم ووزنها 0.6 جرام. يتوفر عامل شكل خلية عملة مشابه لعامل بطاريات الليثيوم العادية منذ عام 2006 لخلايا LiCoO2 ، وعادة ما يتم تحديده بالبادئة "LiR".

حزمة بطارية الليثيوم أيون نيسان ليف.

تتكون البطارية (تسمى أيضًا حزمة البطارية) من عدة خلايا ليثيوم أيون متصلة. تحتوي حزم البطاريات الخاصة بالإلكترونيات الاستهلاكية الكبيرة مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة أيضًا على مستشعرات درجة الحرارة ودوائر منظم الجهد وصنابير الجهد وشاشات حالة الشحن. تقلل هذه المكونات من مخاطر السلامة مثل ارتفاع درجة الحرارة وقصر الدائرة الكهربائية. لتشغيل الأجهزة الأكبر حجمًا ، مثل السيارات الكهربائية ، يكون توصيل العديد من البطاريات الصغيرة في دائرة متوازية أكثر فاعلية وأكثر كفاءة من توصيل بطارية واحدة كبيرة.

الاستخدامات

تُستخدم الغالبية العظمى من بطاريات Li-ion التجارية في الإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية. تشمل هذه الأجهزة:

الأجهزة المحمولة: تشمل الهواتف المحمولة والهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية والكاميرات الرقمية وكاميرات الفيديو والسجائر الإلكترونية ووحدات التحكم في الألعاب المحمولة والمشاعل (المصابيح الكاشفة).
الأدوات الكهربائية: تُستخدم بطاريات Li-ion في أدوات مثل المثاقب اللاسلكية ، وآلات السنفرة ، والمناشير ، ومجموعة متنوعة من معدات الحدائق بما في ذلك السوط-snippers و أدوات تشذيب التحوط.
المركبات الكهربائية: تُستخدم بطاريات السيارات الكهربائية في السيارات الكهربائية ، المركبات الهجينة ، والدراجات البخارية والدراجات البخارية الكهربائية ، والدراجات الكهربائية ، والناقلات الشخصية ، والكراسي المتحركة الكهربائية المتطورة. أيضًا النماذج التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو ، ونماذج الطائرات ، والطائرات ، وعربة كوكب المريخ كيوريوسيتي.
المزيد من الاستخدامات المتخصصة تشمل الطاقة الاحتياطية في تطبيقات الاتصالات. يتم أيضًا مناقشة بطاريات ليثيوم أيون بشكل متكرر كخيار محتمل لتخزين طاقة الشبكة ، على الرغم من أنها ليست تنافسية من حيث التكلفة على نطاق واسع.

أداء

كثافة الطاقة المحددة من 100 إلى 250 واط · ساعة / كجم (360 إلى 900 كيلو جول / كجم)
كثافة الطاقة الحجمية من 250 إلى 680 واط · ساعة / لتر (900 إلى 2230 جول / سم 3)
كثافة القدرة المحددة 300 إلى 1500 واط / كجم (عند 20 ثانية و 285 واط · ساعة / لتر)
نظرًا لأن بطاريات الليثيوم أيون يمكن أن تحتوي على مجموعة متنوعة من مواد القطب الموجب والسالب ، فإن كثافة الطاقة والجهد تختلف وفقًا لذلك.

يكون جهد الدائرة المفتوحة أعلى منه في البطاريات المائية (مثل حمض الرصاص والنيكل وهيدريد المعدن والنيكل والكادميوم). بشدة على الجهد ودرجة الحرارة المخزنة في البطاريات. يؤدي ارتفاع المقاومة الداخلية إلى انخفاض الجهد في المحطات تحت الحمل ، مما يقلل من أقصى سحب للتيار. في النهاية ، ستؤدي المقاومة المتزايدة إلى ترك البطارية في حالة بحيث لا يمكنها بعد الآن دعم تيارات التفريغ العادية المطلوبة منها دون انخفاض الجهد غير المقبول أو ارتفاع درجة الحرارة.

البطاريات التي تحتوي على أقطاب موجبة من فوسفات حديد الليثيوم وسالب الجرافيت لها جهد اسمي لدائرة مفتوحة يبلغ 3.2 فولت وبجهد شحن نموذجي يبلغ 3.6 فولت. 4.2 فولت كحد أقصى أثناء الشحن. يتم تنفيذ إجراء الشحن بجهد ثابت مع دارة محددة للتيار (أي الشحن بتيار ثابت حتى يتم الوصول إلى جهد 4.2 فولت في الخلية ويستمر بجهد ثابت مطبق حتى ينخفض ​​التيار بالقرب من الصفر). عادة ، يتم إنهاء الرسوم عند 3٪ منتيار الشحن الأولي. في الماضي ، لم يكن من الممكن شحن بطاريات الليثيوم أيون بسرعة وكانت تحتاج إلى ساعتين على الأقل لشحنها بالكامل. يمكن شحن خلايا الجيل الحالي بالكامل في 45 دقيقة أو أقل. في عام 2015 ، أظهر الباحثون بطارية صغيرة بسعة 600 مللي أمبير في الساعة مشحونة بنسبة 68 في المائة في دقيقتين وبطارية 3000 مللي أمبير في الساعة مشحونة بنسبة 48 في المائة في خمس دقائق. تبلغ كثافة الطاقة للبطارية الأخيرة 620 واط · ساعة / لتر. استخدم الجهاز ذرات غير متجانسة مرتبطة بجزيئات الجرافيت في الأنود.

تحسن أداء البطاريات المصنعة بمرور الوقت. على سبيل المثال ، من عام 1991 إلى عام 2005 ، تحسنت قدرة الطاقة لكل سعر لبطاريات الليثيوم أيون بأكثر من عشرة أضعاف ، من 0.3 واط في الساعة لكل دولار إلى أكثر من 3 واط في الساعة لكل دولار. في الفترة من 2011 إلى 2017 ، بلغ متوسط ​​التقدم 7.5٪ سنويًا. بشكل عام ، بين عامي 1991 و 2018 ، انخفضت أسعار جميع أنواع خلايا أيونات الليثيوم (بالدولار لكل كيلو وات في الساعة) تقريبًا بنسبة 97٪. خلال نفس الفترة الزمنية ، تضاعفت كثافة الطاقة أكثر من ثلاثة أضعاف. ساهمت الجهود المبذولة لزيادة كثافة الطاقة بشكل كبير في خفض التكاليف. يمكن أن يكون للخلايا ذات الأحجام المختلفة ذات الكيمياء المماثلة أيضًا كثافة طاقة مختلفة. تحتوي الخلية 21700 على طاقة أكثر بنسبة 50٪ من خلية 18650 ، والحجم الأكبر يقلل من انتقال الحرارة إلى محيطها.

فترة الحياة

يُعرَّف عمر بطارية الليثيوم أيون عادةً على أنه عدد دورات الشحن والتفريغ الكاملة للوصول إلى عتبة الفشل من حيث فقد السعة أو ارتفاع الممانعة. تستخدم ورقة بيانات الشركات المصنّعة عادةً كلمة "دورة الحياة" لتحديد العمر من حيث عدد الدورات للوصول إلى 80٪ من سعة البطارية المقدرة. التخزين غير النشط لهذه البطاريات يقلل أيضًا من قدرتها. يتم استخدام التقويم الزمني لتمثيل دورة الحياة الكاملة للبطارية بما في ذلك كل من عمليات الدورة والتخزين غير النشط. يتأثر عمر دورة البطارية بالعديد من عوامل الإجهاد المختلفة بما في ذلك درجة الحرارة وتيار التفريغ وتيار الشحن وحالة الشحن (عمق التفريغ). لا يتم شحن البطاريات بالكامل ولا يتم تفريغها في تطبيقات حقيقية مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية ، وبالتالي فإن تحديد عمر البطارية عبر دورات التفريغ الكامل يمكن أن يكون مضللاً. لتجنب هذا الالتباس ، يستخدم الباحثون أحيانًا التفريغ التراكمي المُعرَّف على أنه إجمالي كمية الشحن (آه) التي توفرها البطارية خلال حياتها الكاملة أو دورات كاملة مكافئة ، والتي تمثل مجموع الدورات الجزئية ككسور من دورة شحن وتفريغ كاملة. يتأثر تدهور البطارية أثناء التخزين بدرجة الحرارة وحالة شحن البطارية (SOC) والجمع بين الشحن الكامل (100٪ SOC) وارتفاع درجة الحرارة (عادةً> 50 درجة مئوية) يمكن أن يؤدي إلى انخفاض حاد في السعة وتوليد الغاز. يعطي مضاعفة التفريغ التراكمي للبطارية بالجهد الاسمي المقنن إجمالي الطاقة التي يتم توفيرها على مدار عمر البطارية. من هذا يمكن حساب التكلفة لكل كيلوواط ساعة من الطاقة (بما في ذلك تكلفة الشحن).

تتحلل البطاريات تدريجيًا على مدى عمرها الافتراضي مما يؤدي إلى انخفاض السعة بسبب مجموعة متنوعة من التغييرات الكيميائية والميكانيكية في الأقطاب الكهربائية. تتضمن بعض الآليات الأكثر بروزًا نمو الطبقات المقاومة (الطور البيني للكهرباء الصلبة ، أو SEI) على أسطح القطب الكهربائي ، وطلاء الليثيوم ، والتكسير الميكانيكي لطبقة SEI أو جسيمات القطب الكهربائي ، والتحلل الحراري للكهرباء. يعتمد التدهور بشدة على درجة الحرارة: التدهور في درجة حرارة الغرفة ضئيل للغاية ولكنه يزيد للبطاريات المخزنة أو المستخدمة في البيئات الساخنة أو الباردة. كما تعمل مستويات الشحن العالية أيضًا على تسريع فقدان السعة. تولد البطاريات حرارة عند شحنها أو تفريغها ، خاصة في التيارات العالية. حزم البطاريات الكبيرة ، مثل تلك المستخدمة في السيارات الكهربائية ، مُجهزة عمومًا بأنظمة إدارة حرارية تحافظ على درجة حرارة بين 15 درجة مئوية (59 درجة فهرنهايت) و 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت). تعتمد درجات حرارة الحقيبة والخلية الأسطوانية خطيًا على تيار التفريغ. قد تؤدي التهوية الداخلية السيئة إلى زيادة درجات الحرارة. تختلف معدلات الفقد حسب درجة الحرارة: 6٪ خسارة عند 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) ، 20٪ عند 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت) ، 35٪ عند 40 درجة مئوية (104 درجة فهرنهايت). ، عمر التقويم LiFePO
4 خلايا لا تتأثر بحالة الشحن العالي. أدى ظهور طبقة SEI إلى تحسين الأداء ، ولكن زاد من قابلية التعرض للتدهور الحراري. تتكون الطبقة من إلكتروليت - منتجات تقليل الكربونات التي تعمل كموصل أيوني وعازل إلكتروني. يتشكل على كل من الأنود والكاثود ويحدد العديد من معلمات الأداء. في ظل الظروف النموذجية ، مثل درجة حرارة الغرفة وغياب تأثيرات الشحن والملوثات ، تصل الطبقة إلى سماكة ثابتة بعد الشحن الأول ، مما يسمح للجهاز بالعمل لسنوات. ومع ذلك ، فإن التشغيل خارج هذه المعلمات يمكن أن يؤدي إلى تدهور الجهاز عبر عدة تفاعلات. تكون بطاريات الليثيوم أيون عرضة لتلاشي السعة على مدى مئات إلى آلاف الدورات.

إنه عن طريق العمليات الكهروكيميائية البطيئة ، وتشكيل مرحلة بينية صلبة بالكهرباء (SEI) في القطب السالب. تتشكل SEI بين الشحنة الأولى والتفريغ وينتج عنها استهلاك أيونات الليثيوم. يقلل استهلاك أيونات الليثيوم من كفاءة شحن وتفريغ مادة القطب. ومع ذلك ، فإن فيلم SEI هو مذيب عضوي غير قابل للذوبان ، وبالتالي يمكن أن يكون مستقرًا في محاليل الإلكتروليت العضوية. إذا تمت إضافة المضافات المناسبة إلى الإلكتروليت لتعزيز تكوين SEI ، فيمكن منع التضمين المشترك لجزيئات المذيبات بشكل فعال ويمكن تجنب تلف مواد الإلكترود. من ناحية أخرى ، يعد SEI انتقائيًا ويسمح بمرور أيونات الليثيوم ويمنع مرور الإلكترونات. وهذا يضمن استمرارية دورة الشحن والتفريغ. يعمل SEI على إعاقة زيادة استهلاك أيونات الليثيوم وبالتالي يحسن بشكل كبير القطب ، بالإضافة إلى أداء الدورة وعمر الخدمة. أظهرت البيانات الجديدة أن التعرض للحرارة واستخدام الشحن السريع يعززان تدهور بطاريات Li-ion أكثر من العمر والاستخدام الفعلي. يمكن أن يؤدي شحن بطاريات Li-ion التي تتجاوز 80٪ إلى تسريع تدهور البطارية بشكل كبير.

يمكن أن تحدث خمسة تفاعلات طاردة للحرارة شائعة:

الاختزال الكيميائي للإلكتروليت بواسطة الأنود.
التحلل الحراري للكهارل.
الأكسدة الكيميائية للإلكتروليت بواسطة الكاثود.
التحلل الحراري بواسطة الكاثود والأنود.
ماس كهربائى داخلي بتأثيرات الشحن.
طبقة SEI التي تتكون على الأنود عبارة عن خليط من أكسيد الليثيوم وفلوريد الليثيوم وأشباه الكربونات (على سبيل المثال ، كربونات ألكيل الليثيوم). في درجات الحرارة المرتفعة ، تتحلل كربونات الألكيل في المنحل بالكهرباء إلى لي غير قابل للذوبان
2CO
3 الذي يزيد من سماكة الفيلم ، مما يحد من كفاءة الأنود. هذا يزيد من مقاومة الخلية ويقلل من قدرتها. يمكن أن تزيد الغازات المتكونة من تحلل الإلكتروليت من الضغط الداخلي للخلية وهي مشكلة محتملة تتعلق بالسلامة في البيئات الصعبة مثل الأجهزة المحمولة. أقل من 25 درجة مئوية ، يؤدي طلاء الليثيوم المعدني على الأنودات والتفاعل اللاحق مع الإلكتروليت إلى فقدان الليثيوم القابل للتدوير. يمكن أن يؤدي التخزين الممتد إلى زيادة تدريجية في سمك الفيلم وفقدان السعة. يمكن أن يؤدي الشحن عند أكبر من 4.2 فولت إلى بدء طلاء Li + على الأنود ، مما ينتج عنه فقد قدرة لا رجعة فيه. ينتج عن عشوائية الليثيوم المعدني المضمن في الأنود أثناء الإقحام تكوين التشعبات. بمرور الوقت يمكن أن تتراكم التشعبات وتخترق الفاصل ، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي يؤدي إلى تسخين أو حريق أو انفجار. يشار إلى هذه العملية على أنها هارب حراري. يمكن أن يؤدي التفريغ الذي يتجاوز 2 فولت أيضًا إلى فقد السعة. يمكن لمجمع تيار الأنود (النحاسي) أن يذوب في المنحل بالكهرباء. عند الشحن ، يمكن أن تقل أيونات النحاس على الأنود مثل النحاس المعدني. بمرور الوقت ، يمكن أن تتشكل التشعبات النحاسية وتسبب قصرًا بنفس طريقة الليثيوم. تؤدي معدلات الدوران المرتفعة وحالة الشحن إلى إجهاد ميكانيكي على شبكة الجرافيت للأنود. الإجهاد الميكانيكي الناجم عن الإقحام وإزالة الإقحام يخلق شقوقًا وانشقاقات في جزيئات الجرافيت ، مما يؤدي إلى تغيير اتجاهها. يؤدي هذا التغيير في الاتجاه إلى فقدان السعة. تشتمل آليات التحلل بالكهرباء على التحلل المائي والتحلل الحراري. عند تركيزات منخفضة تصل إلى 10 جزء في المليون ، يبدأ الماء في تحفيز مجموعة من منتجات التحلل التي يمكن أن تؤثر على المنحل بالكهرباء والأنود والكاثود. LiPF
6 يشارك في تفاعل التوازن مع LiF و PF
5. في ظل الظروف النموذجية ، يقع التوازن بعيدًا عن اليسار. ومع ذلك ، فإن وجود الماء يولد كمية كبيرة من LiF ، وهو منتج غير قابل للذوبان وعازل كهربائيًا. يرتبط LiF بسطح الأنود ، مما يزيد من سماكة الفيلم. LiPF
ينتج 6 التحلل المائي PF
5 ، وهو حمض لويس قوي يتفاعل مع الأنواع الغنية بالإلكترون ، مثل الماء. PF
5 يتفاعل مع الماء لتكوين حمض الهيدروفلوريك (HF) والفوسفور أوكسي فلوريد. يتفاعل الفوسفور أوكسي فلوريد بدوره لتكوين حمض فوسفوريك ثنائي فلورو هيدروكسي و HF إضافي. HF يحول فيلم SEI الصلب إلى فيلم هش. على الكاثود ، يمكن لمذيب الكربونات أن ينتشر بعد ذلك على أكسيد الكاثود بمرور الوقت ، مما يطلق الحرارة ويحتمل أن يتسبب في هروب حراري. يبدأ تحلل أملاح الإلكتروليت والتفاعلات بين الأملاح والمذيب عند 70 درجة مئوية. يحدث التحلل الكبير في درجات حرارة أعلى. عند 85 درجة مئوية ، تتشكل المنتجات التحويلية ، مثل ثنائي ميثيل 2،5-ديوكساهكسان كربوكسيلات (DMDOHC) من EC يتفاعل مع DMC. تتضمن آليات تحلل الكاثود انحلال المنجنيز وأكسدة الإلكتروليت والاضطراب البنيوي. في LiMn
2O
4 حمض الهيدروفلوريك يحفز فقدان المنغنيز المعدني من خلال عدم تناسق المنغنيز ثلاثي التكافؤ:
2Mn3 + → Mn2 ++ Mn4 +
يؤدي فقدان مادة الإسبينيل إلى تلاشي السعة. درجات حرارة منخفضة تصل إلى 50 درجة مئوية تبدأ ترسيب Mn2 + على الأنود كمنغنيز معدني مع نفس تأثيرات طلاء الليثيوم والنحاس. يؤدي الدوران فوق هضاب الجهد الأقصى والأدنى النظري إلى تدمير الشبكة البلورية عن طريق تشويه Jahn-Teller ، والذي يحدث عندما يتم تقليل Mn4 + إلى Mn3 + أثناء التفريغ. يؤدي تخزين بطارية مشحونة إلى أكثر من 3.6 فولت إلى بدء أكسدة الإلكتروليت بواسطة الكاثود ويحث على تكوين طبقة SEI على الكاثود. كما هو الحال مع الأنود ، يشكل تكوين SEI المفرط عازلًا يؤدي إلى تلاشي السعة وتوزيع التيار غير المتكافئ. ينتج عن التخزين عند أقل من 2 فولت تدهور بطيء لـ LiCoO 2 و LiMn2O
4 كاثودات ، إطلاق الأكسجين وفقدان القدرة بشكل لا رجعة فيه.

تسربت الحاجة إلى "تكييف" بطاريات NiCd و NiMH إلى الفولكلور المحيط ببطاريات Li-ion ، ولكن لا أساس لها من الصحة. التوصية للتقنيات القديمة هي ترك الجهاز متصلاً لمدة سبع أو ثماني ساعات ، حتى لو كان مشحونًا بالكامل. قد يكون هذا خلطًا بين تعليمات معايرة برامج البطارية وتعليمات "التكييف" لبطاريات NiCd و NiMH.

أمان

يمكن أن تشكل بطاريات الليثيوم أيون خطرًا على السلامة لأنها تحتوي على إلكتروليت قابل للاشتعال وقد تصبح مضغوطة في حالة تلفها. يمكن أن تتسبب خلية البطارية المشحونة بسرعة كبيرة في حدوث ماس كهربائي ، مما يؤدي إلى حدوث انفجارات وحرائق. يمكن أن يبدأ حريق بطارية Li-ion بسبب (1) سوء الاستخدام الحراري ، على سبيل المثال التبريد السيئ أو الحريق الخارجي ، (2) سوء الاستخدام الكهربائي ، على سبيل المثال الشحن الزائد أو ماس كهربائى خارجي ، (3) إساءة استخدام ميكانيكية ، على سبيل المثال الاختراق أو الانهيار ، أو (4) ماس كهربائي داخلي ، على سبيل المثال بسبب عيوب التصنيع أو التقادم. بسبب هذه المخاطر ، تكون معايير الاختبار أكثر صرامة من تلك الخاصة ببطاريات الإلكتروليت الحمضية ، وتتطلب نطاقًا أوسع من ظروف الاختبار واختبارات إضافية خاصة بالبطارية ، وهناك قيود على الشحن تفرضها جهات تنظيم السلامة. كانت هناك عمليات سحب متعلقة بالبطاريات من قبل بعض الشركات ، بما في ذلك استدعاء Samsung Galaxy Note 7 2016 بسبب حرائق البطارية.

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على سائل إلكتروليت قابل للاشتعال. يمكن أن تتسبب البطارية المعيبة في نشوب حريق خطير. يمكن أن تؤثر أجهزة الشحن المعيبة على سلامة البطارية لأنها يمكن أن تدمر دائرة حماية البطارية. أثناء الشحن في درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية ، يتم طلاء القطب السالب للخلايا بالليثيوم النقي ، مما قد يضر بسلامة العبوة بأكملها.

يؤدي قصر الدائرة الكهربائية للبطارية إلى ارتفاع درجة حرارة الخلية وربما اشتعال النيران. الدخان المنبعث من الهروب الحراري في بطارية ليثيوم أيون قابل للاشتعال وسام. محتوى طاقة النار (الكهربائية + الكيميائية) لخلايا أكسيد الكوبالت حوالي 100 إلى 150 كيلو جول / (أ · ح) ، معظمها مادة كيميائية.

حوالي عام 2010 ، تم إدخال بطاريات ليثيوم أيون كبيرة بدلاً من مواد كيميائية أخرى لأنظمة الطاقة في بعض الطائرات ؛ اعتبارًا من يناير 2014 ، كان هناك ما لا يقل عن أربعة حرائق خطيرة لبطارية ليثيوم أيون ، أو دخان ، على طائرة ركاب بوينج 787 ، التي تم تقديمها في عام 2011 ، والتي لم تتسبب في حوادث ولكن كان من الممكن أن تفعل ذلك. تحطمت طائرة UPS Airlines Flight 6 في دبي بعد أن اشتعلت حمولتها من البطاريات تلقائيًا.

للحد من مخاطر الحريق ، تهدف المشاريع البحثية إلى تطوير إلكتروليتات غير قابلة للاشتعال.

الضرر والحمل الزائد

في حالة تلف بطارية ليثيوم أيون أو تحطيمها أو تعرضها لحمل كهربائي أعلى دون الحاجة إلى حماية الشحن الزائد ، فقد تنشأ مشكلات. يمكن أن تؤدي ماس كهربائي خارجي إلى انفجار البطارية.

في حالة ارتفاع درجة الحرارة أو زيادة الشحن ، قد تعاني بطاريات Li-ion من الهروب الحراري وتمزق الخلية. في الحالات القصوى ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى حدوث تسرب أو انفجار أو نشوب حريق. لتقليل هذه المخاطر ، تحتوي العديد من خلايا أيونات الليثيوم (وحزم البطاريات) على دوائر آمنة من التعطل تفصل البطارية عندما يكون جهدها خارج النطاق الآمن من 3 إلى 4.2 فولت لكل خلية. أو عند الشحن الزائد أو التفريغ. تعد حزم بطاريات الليثيوم ، سواء تم إنشاؤها بواسطة البائع أو المستخدم النهائي ، بدون دوائر إدارة فعالة للبطارية ، عرضة لهذه المشكلات. دوائر إدارة البطارية سيئة التصميم أو المنفذة قد تتسبب أيضًا في حدوث مشكلات ؛ من الصعب التأكد من تنفيذ أي دائرة معينة لإدارة البطارية بشكل صحيح.

حدود الجهد
خلايا الليثيوم أيون عرضة للإجهاد من خلال نطاقات الجهد خارج تلك الآمنة بين 2.5 و 3.65 / 4.1 / 4.2 أو 4.35 فولت (اعتمادًا على مكونات الخلية). يؤدي تجاوز نطاق الجهد هذا إلى الشيخوخة المبكرة ومخاطر السلامة بسبب المكونات التفاعلية في الخلايا. عند تخزينها لفترات طويلة ، قد يؤدي سحب التيار الصغير لدائرة الحماية إلى استنزاف البطارية إلى ما دون جهد الإغلاق ؛ قد تكون الشواحن العادية عديمة الفائدة لأن نظام إدارة البطارية (BMS) قد يحتفظ بسجل لهذه البطارية (أو الشاحن) "عطل". لا يمكن شحن العديد من أنواع خلايا أيونات الليثيوم بأمان تحت 0 درجة مئوية ، حيث يمكن أن يؤدي ذلك إلى تصفيح الليثيوم على أنود الخلية ، والتي قد تسبب مضاعفات مثل قصر الدائرة الداخلية.

ميزات أمان أخرى مطلوبة في كل خلية:

فاصل الإغلاق (لارتفاع درجة الحرارة)
علامة تبويب تمزيق (لتخفيف الضغط الداخلي)
تنفيس (تخفيف الضغط في حالة إطلاق الغازات الشديدة)
الانقطاع الحراري (التيار الزائد / الشحن الزائد / التعرض البيئي)
هذه الميزات مطلوبة لأن القطب السالب ينتج حرارة أثناء الاستخدام ، في حين أن القطب الموجب قد ينتج الأكسجين. ومع ذلك ، فإن هذه الأجهزة الإضافية تشغل مساحة داخل الخلايا ، وتضيف نقاط فشل ، وقد تعطل الخلية بشكل لا رجعة فيه عند تنشيطها. علاوة على ذلك ، تزيد هذه الميزات من التكاليف مقارنة ببطاريات هيدريد معدن النيكل ، والتي تتطلب فقط جهاز إعادة تركيب الهيدروجين / الأكسجين وصمام ضغط احتياطي. يمكن للملوثات داخل الخلايا أن تهزم أجهزة السلامة هذه. أيضًا ، لا يمكن تطبيق هذه الميزات على جميع أنواع الخلايا ، على سبيل المثال ، لا يمكن تجهيز خلايا التيار العالي المنشورية بفتحة تهوية أو مقاطعة حرارية. يجب ألا تنتج خلايا التيار العالي حرارة زائدة أو أكسجينًا ، خشية أن يكون هناك فشل ، ربما يكون عنيفًا. بدلاً من ذلك ، يجب أن تكون مجهزة بصمامات حرارية داخلية تعمل قبل أن يصل الأنود والكاثود إلى حدودهما الحرارية.

يؤدي استبدال مادة القطب الموجب لأكسيد الكوبالت الليثيوم في بطاريات الليثيوم أيون بفوسفات معدن الليثيوم مثل فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) إلى تحسين عدد الدورات ومدة الصلاحية والسلامة ، ولكنه يقلل من السعة. اعتبارًا من عام 2006 ، تم استخدام بطاريات الليثيوم أيون "الأكثر أمانًا" بشكل أساسي في السيارات الكهربائية وغيرها من تطبيقات البطاريات ذات السعة الكبيرة ، حيث تعتبر السلامة أمرًا بالغ الأهمية.
في أكتوبر 2004 ، استدعت شركة Kyocera Wireless ما يقرب من مليون بطارية هاتف محمول لتحديد المنتجات المزيفة.
في ديسمبر 2005 ، استدعت Dell ما يقرب من 22000 بطارية كمبيوتر محمول ، و 4.1 مليون في أغسطس 2006.
في عام 2006 ، تم سحب ما يقرب من 10 ملايين بطارية من بطاريات Sony المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة Dell و Sony و Apple و Lenovo و Panasonic و Toshiba و Hitachi و Fujitsu و Sharp. تم العثور على البطاريات لتكون عرضة للتلوث الداخلي بالجزيئات المعدنية أثناء التصنيع. في بعض الظروف ، يمكن أن تخترق هذه الجسيمات الفاصل ، مما يتسبب في حدوث دائرة قصر خطيرة.
في مارس 2007 ، استدعت شركة Lenovo المصنعة لأجهزة الكمبيوتر حوالي 205000 بطارية معرضة لخطر الانفجار.
في أغسطس 2007 ، استدعت شركة نوكيا المصنعة للهواتف المحمولة أكثر من 46 مليون بطارية معرضة لخطر السخونة الزائدة والانفجار. وقعت إحدى هذه الحوادث في الفلبين تتعلق بجهاز Nokia N91 ، والذي استخدم بطارية BL-5C.
في سبتمبر 2016 ، استدعت شركة Samsung ما يقرب من 2.5 مليون هاتف Galaxy Note 7 بعد 35 حريقًا مؤكدًا. كان الاسترداد بسبب خطأ في تصميم التصنيع في بطاريات سامسونج مما تسبب في تلامس أقطاب موجبة وسالبة داخلية.
قيود النقل
بطارية بوينج 787 من أكسيد الكوبالت الليثيوم للخطوط الجوية اليابانية اشتعلت فيها النيران في عام 2013
فئة النقل 9 أ: بطاريات الليثيوم
يقدر اتحاد النقل الجوي الدولي (IATA) أن أكثر من مليار خلية من خلايا الليثيوم والليثيوم أيون يتم نقلها جواً كل عام. قد يتم حظر بعض أنواع بطاريات الليثيوم على متن الطائرات بسبب خطر نشوب حريق. تقيد بعض الإدارات البريدية الشحن الجوي (بما في ذلك EMS) لبطاريات الليثيوم والليثيوم أيون ، سواء بشكل منفصل أو مثبت في المعدات.

تأثير بيئي

يمثل استخراج الليثيوم والنيكل والكوبالت وتصنيع المذيبات ومنتجات التعدين الثانوية مخاطر بيئية وصحية كبيرة. يمكن أن يكون استخراج الليثيوم مميتًا للحياة المائية بسبب تلوث المياه. من المعروف أنه يسبب تلوث المياه السطحية ، وتلوث مياه الشرب ، ومشاكل في الجهاز التنفسي ، وتدهور النظام الإيكولوجي وتلف المناظر الطبيعية. كما أنه يؤدي إلى استهلاك غير مستدام للمياه في المناطق القاحلة (1.9 مليون لتر لكل طن من الليثيوم). ينتج عن إنتاج ثانوي ضخم لاستخراج الليثيوم أيضًا مشاكل لم يتم حلها ، مثل الكميات الكبيرة من المغنيسيوم ونفايات الجير.

يتم تعدين الليثيوم في أمريكا الشمالية والجنوبية وآسيا وجنوب إفريقيا وأستراليا والصين.

يتم استخراج الكوبالت لبطاريات Li-ion إلى حد كبير في الكونغو (انظر أيضًا صناعة التعدين في جمهورية الكونغو الديمقراطية)

يتطلب تصنيع كيلوغرام من بطارية Li-ion حوالي 67 ميغا جول من الطاقة. تعتمد إمكانية الاحترار العالمي لتصنيع بطاريات أيونات الليثيوم بشدة على مصدر الطاقة المستخدم في عمليات التعدين والتصنيع ، ومن الصعب تقديرها ، لكن إحدى الدراسات لعام 2019 قدرت 73 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون / كيلوواط ساعة. يمكن أن تقلل إعادة التدوير الفعال من البصمة الكربونية للإنتاج بشكل كبير.

النفايات الصلبة وإعادة التدوير

نظرًا لأن بطاريات Li-ion تحتوي على معادن أقل سمية من أنواع البطاريات الأخرى التي قد تحتوي على الرصاص أو الكادميوم ، يتم تصنيفها عمومًا على أنها نفايات غير خطرة. عناصر بطارية Li-ion بما في ذلك الحديد والنحاس والنيكل والكوبالت تعتبر جيدة آمن للاستخدام في المحارق ومدافن النفايات. يمكن إعادة تدوير هذه المعادن ، عادة عن طريق حرق المواد الأخرى ، ولكن التعدين بشكل عام يظل أرخص من إعادة التدوير ؛ قد تكلف إعادة التدوير 3 دولارات / كجم ، وفي عام 2019 تم إعادة تدوير أقل من 5٪ من بطاريات أيونات الليثيوم. منذ عام 2018 ، تمت زيادة محصول إعادة التدوير بشكل كبير ، واستعادة الليثيوم ، والمنغنيز ، والألمنيوم ، والمذيبات العضوية للكهارل ، والجرافيت ممكنة على المستويات الصناعية. الكوبالت هو أغلى معدن متورط في بناء الخلية. يعتبر الليثيوم أقل تكلفة من المعادن الأخرى المستخدمة ونادرًا ما يتم إعادة تدويره ، ولكن إعادة التدوير قد تمنع حدوث نقص في المستقبل.

يمثل تراكم نفايات البطاريات تحديات فنية ومخاطر صحية. نظرًا لأن التأثير البيئي للسيارات الكهربائية يتأثر بشدة بإنتاج بطاريات أيونات الليثيوم ، فإن تطوير طرق فعالة لإعادة استخدام النفايات يعد أمرًا بالغ الأهمية. إعادة التدوير عملية متعددة الخطوات ، تبدأ بتخزين البطاريات قبل التخلص منها ، يليها الاختبار اليدوي ، والتفكيك ، وأخيراً الفصل الكيميائي لمكونات البطارية. يُفضل إعادة استخدام البطارية على إعادة التدوير الكامل حيث تقل الطاقة المتضمنة في العملية. نظرًا لأن هذه البطاريات أكثر تفاعلًا من نفايات المركبات التقليدية مثل الإطارات المطاطية ، فهناك مخاطر كبيرة لتخزين البطاريات المستعملة.

الانتعاش المعدني الحراري

تستخدم طريقة المعالجة المعدنية الحرارية فرنًا عالي الحرارة لتقليل مكونات أكاسيد المعادن في البطارية إلى سبيكة من Co ، و Cu ، و Fe ، و Ni. هذه هي الطريقة التجارية الأكثر شيوعًا لإعادة التدوير ويمكن دمجها مع بطاريات أخرى مماثلة لزيادة كفاءة الصهر وتحسين الديناميكا الحرارية. تساعد مجمعات التيار المعدني في عملية الصهر ، مما يسمح بإذابة الخلايا أو الوحدات الكاملة في وقت واحد. نتاج هذه الطريقة عبارة عن مجموعة من السبائك المعدنية والخبث والغاز. عند درجات الحرارة المرتفعة ، تحترق البوليمرات المستخدمة لتثبيت خلايا البطارية معًا ويمكن فصل السبيكة المعدنية من خلال عملية المعالجة المعدنية المائية إلى مكوناتها المنفصلة. يمكن تكرير الخبث أو استخدامه في صناعة الأسمنت. العملية خالية من المخاطر نسبيًا والتفاعل الطارد للحرارة الناتج عن احتراق البوليمر يقلل من طاقة الإدخال المطلوبة. ومع ذلك ، في هذه العملية ، سيتم فقدان البلاستيك ، والكهارل ، وأملاح الليثيوم.

استخلاص المعادن من المعادن

تتضمن هذه الطريقة استخدام المحاليل المائية لإزالة المعادن المرغوبة من الكاثود. الكاشف الأكثر شيوعًا هو حمض الكبريتيك. تشمل العوامل التي تؤثر على معدل النض تركيز الحمض ، والوقت ، ودرجة الحرارة ، ونسبة المادة الصلبة إلى السائل ، وعامل الاختزال. ثبت تجريبياً أن H2O2 يعمل كعامل اختزال لتسريع معدل الترشيح من خلال التفاعل:

2LiCoO2 (s) + 3H2SO4 + H2O2 → 2CoSO4 (aq) + Li2SO4 + 4H2O + O2

بمجرد الترشيح ، يمكن استخلاص المعادن من خلال تفاعلات الترسيب التي يتم التحكم فيها عن طريق تغيير مستوى الأس الهيدروجيني للمحلول. يمكن بعد ذلك استعادة الكوبالت ، وهو المعدن الأغلى ثمناً ، في شكل كبريتات ، أو أكسالات ، أو هيدروكسيد ، أو كربونات. في الآونة الأخيرة ، جربت طرق إعادة التدوير الاستنساخ المباشر للكاثود من الفلزات المرشحة. في هذه الإجراءات ، يتم قياس تركيزات المعادن المتسربة المختلفة مسبقًا لتتناسب مع الكاثود المستهدف ثم يتم تصنيع الكاثودات مباشرة.

ومع ذلك ، فإن المشكلات الرئيسية في هذه الطريقة هي أن حجمًا كبيرًا من المذيب مطلوبًا والتكلفة العالية للمعادلة. على الرغم من أنه من السهل تمزيق البطارية ، إلا أن مزج الكاثود والأنود في البداية يعقد العملية ، لذلك يجب أيضًا فصلهما. لسوء الحظ ، فإن التصميم الحالي للبطاريات يجعل العملية معقدة للغاية ويصعب فصل المعادن في نظام بطارية مغلق الحلقة. قد يحدث التقطيع والذوبان في مواقع مختلفة.

إعادة التدوير المباشر

إعادة التدوير المباشر هو إزالة القطب السالب أو الأنود من القطب ، وتجديده ، ثم إعادة استخدامه في بطارية جديدة. يمكن إضافة أكاسيد المعادن المختلطة إلى القطب الجديد مع تغيير بسيط للغاية في الشكل البلوري. تتضمن العملية بشكل عام إضافة الليثيوم الجديد لتجديد فقدان الليثيوم في الكاثود بسبب التدهور الناتج عن التدوير. يتم الحصول على شرائط الكاثود من البطاريات المفككة ، ثم نقعها في NMP ، وتخضع لعملية صوتنة لإزالة الرواسب الزائدة. يتم معالجته بالحرارة المائية بمحلول يحتوي على LiOH / Li2SO4 قبل التلدين.

هذه الطريقة فعالة للغاية من حيث التكلفة بالنسبة للبطاريات التي لا تعتمد على الكوبالت لأن المواد الخام لا تشكل الجزء الأكبر من التكلفة. تتجنب إعادة التدوير المباشر خطوات التنقية المستهلكة للوقت والمكلفة ، وهو أمر رائع بالنسبة للكاثودات منخفضة التكلفة مثل LiMn2O4 و LiFePO4. بالنسبة لهذه الكاثودات الأرخص تكلفة ، ترتبط معظم التكلفة والطاقة المضمنة وانبعاثات الكربون بـ التصنيع بدلاً من المواد الخام. ثبت تجريبيا أن إعادة التدوير المباشر يمكن أن ينتج خصائص مماثلة للجرافيت الأصلي.

يكمن عيب الطريقة في حالة البطارية المتوقفة عن العمل. في حالة كون البطارية صحية نسبيًا ، يمكن لإعادة التدوير المباشر استعادة خصائصها بثمن بخس. ومع ذلك ، بالنسبة للبطاريات حيث تكون حالة الشحن منخفضة ، فقد لا تستحق إعادة التدوير المباشر الاستثمار. يجب أيضًا أن تكون العملية مخصصة لتكوين الكاثود المحدد ، وبالتالي يجب تكوين العملية لنوع واحد من البطاريات في كل مرة. أخيرًا ، في وقت تتطور فيه تكنولوجيا البطاريات سريعًا ، قد لا يكون تصميم البطارية اليوم مرغوبًا فيه بعد عقد من الآن ، مما يجعل إعادة التدوير المباشر غير فعالة.

تأثير حقوق الإنسان

قد يمثل استخراج المواد الخام لبطاريات الليثيوم أيون مخاطر على السكان المحليين ، وخاصة السكان الأصليين المقيمين على الأرض.

غالبًا ما يتم استخراج الكوبالت الذي يتم الحصول عليه من جمهورية الكونغو الديمقراطية بواسطة العمال باستخدام أدوات يدوية مع القليل من احتياطات السلامة ، مما يؤدي إلى إصابات ووفيات متكررة. عرّض التلوث من هذه المناجم الناس لمواد كيميائية سامة يعتقد مسؤولو الصحة أنها تسبب تشوهات خلقية وصعوبات في التنفس. زعم نشطاء حقوق الإنسان ، وأوردت الصحافة الاستقصائية تأكيدا ، أنه يتم استخدام عمالة الأطفال في هذه المناجم.

أشارت دراسة عن العلاقات بين شركات استخراج الليثيوم والشعوب الأصلية في الأرجنتين إلى أن الدولة قد لا تحمي حق الشعوب الأصلية في الموافقة الحرة والمسبقة والمستنيرة ، وأن شركات الاستخراج تتحكم عمومًا في وصول المجتمع إلى المعلومات وتضع شروط مناقشة المشاريع وتقاسم المنافع.

قوبل تطوير منجم الليثيوم ثاكر باس في نيفادا بالولايات المتحدة الأمريكية باحتجاجات ودعاوى قضائية من عدة قبائل أصلية قالت إنها لم تحصل على موافقة مسبقة ومستنيرة وأن المشروع يهدد المواقع الثقافية والمقدسة. كما دفعت الروابط بين استخراج الموارد ونساء الشعوب الأصلية المفقودات والمقتولات المجتمعات المحلية للتعبير عن مخاوفها من أن المشروع سيخلق مخاطر على نساء الشعوب الأصلية. يحتل المتظاهرون موقع المنجم المقترح منذ يناير 2022.

الزوار شاهدوا أيضاً