تحليل شامل لبطاريات الليثيوم: من الأساسيات إلى الإنتاج والهيكل والعمليات والتطبيقات واتجاهات الصناعة

لطالما كانت بطاريات الليثيوم بمثابة "مصدر الطاقة" عبر قطاعات مثل الإلكترونيات الاستهلاكية، ومركبات الطاقة الجديدة، وأنظمة تخزين الطاقة، وحتى الاقتصاد في الارتفاعات{{0} المنخفضة. بدءًا من الأجهزة الصغيرة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى المعدات الكبيرة-مثل المركبات الكهربائية ومحطات توليد الطاقة لتخزين الطاقة، فإن أدائها يحدد بشكل مباشر قوة التحمل ومستوى السلامة وعمر الخدمة للمعدات. تفكك هذه المقالة بشكل شامل مكون الطاقة المهم هذا، وتغطي تكوينه الأساسي، ومقارنة المزايا والعيوب، ونظام التصنيف، والمصطلحات المهنية، وقواعد التسمية، بالإضافة إلى عملية الإنتاج بأكملها والممارسات الصناعية، وتكشف لك الألغاز التقنية لبطاريات الليثيوم.

I. التركيب الأساسي لبطاريات الليثيوم: التآزر بين "القلب" و"الدماغ"

يعتمد التشغيل المستقر لبطارية الليثيوم على تضافر نظامين رئيسيين: "إمدادات الطاقة" و"التحكم في السلامة". على وجه التحديد، يمكن تقسيمها إلى قسمين: خلية البطارية ولوحة الحماية (أو BMS)، ولكل منهما وظيفة لا يمكن الاستغناء عنها.

1. خلية البطارية: "قلب الطاقة" لبطاريات الليثيوم

خلية البطارية هي جوهر تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية، أي ما يعادل "قلب" بطارية الليثيوم. يحدد أدائها بشكل مباشر كثافة الطاقة وعمر الدورة وسلامة البطارية. تتكون خلية البطارية بشكل أساسي من 5 مكونات رئيسية:

مادة الكاثود: "مصدر" إنتاج الطاقة، الذي يطلق أيونات الليثيوم أثناء التفريغ. تشمل المواد الشائعة أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO₂، المستخدم في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، ويتميز بمنصة عالية الجهد ولكن أمانه ضعيف)، وفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO₄، المستخدم في تخزين الطاقة والمركبات الكهربائية، مع أمان عالي ودورة حياة طويلة)، والليثيوم الثلاثي (LiNiₓCoᵧMn_zO₂، المستخدم في المركبات الكهربائية عالية الجودة، ويتميز بكثافة طاقة عالية)، ومنجنات الليثيوم (LiMn₂O₄، يستخدم في الأدوات الكهربائية، بتكلفة منخفضة ولكنه ضعيف في درجة الحرارة العالية-).

مادة الأنود: "المستودع" لتخزين الطاقة، الذي يمتص أيونات الليثيوم أثناء الشحن ويعيدها إلى الكاثود أثناء التفريغ. حاليًا، يعتبر الجرافيت هو السائد (بتكلفة منخفضة واستقرار جيد، وهو ما يمثل أكثر من 90٪ من سوق مواد الأنود). يتم تدريجيًا تسويق الجيل الجديد من الأنودات المعتمدة على السيليكون- (ذات قدرة نظرية تزيد عن 10 أضعاف قدرة الجرافيت)، بينما لا تزال أنودات معدن الليثيوم في مرحلة البحث والتطوير بسبب مشكلات التغصنات.

المنحل بالكهرباء: "القناة" لهجرة أيون الليثيوم، وتتكون عادةً من ملح الليثيوم (على سبيل المثال، LiPF₆، الذي يوفر أيونات الليثيوم)، والمذيبات العضوية (على سبيل المثال، الكربونات، وأملاح الليثيوم المذابة) والمواد المضافة (تحسين عمر الدورة والسلامة). ويؤثر نقاؤه واستقراره بشكل مباشر على أداء درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة- ومستوى أمان البطارية. على سبيل المثال، سوف تتفاعل الرطوبة الزائدة مع أملاح الليثيوم لتوليد غازات ضارة، مما يسبب مخاطر محتملة على السلامة.

فاصل: "حاجز الأمان" بين الكاثود والأنود، وهو عبارة عن فيلم بوليمر مسامي (معظمه من البولي إيثيلين PE والبولي بروبيلين PP). لا يمكنه فقط منع الاتصال المباشر والدائرة القصيرة بين الكاثود والأنود، بل يسمح أيضًا بمرور أيونات الليثيوم. تحتاج الفواصل عالية الجودة- إلى أن يكون لها حجم مسام موحد وقوة ميكانيكية كافية وثبات كيميائي. عند درجات الحرارة المرتفعة، يمكنهم أيضًا منع انتقال الأيونات من خلال "تأثير الإغلاق" لتجنب الانفلات الحراري.

صدَفَة: "الغطاء الواقي" لخلية البطارية، مقسم إلى غلاف من الألومنيوم (البطاريات المنشورية، مثل بطاريات الهاتف المحمول)، وغطاء فولاذي (بطاريات أسطوانية، مثل 18650) وطبقة من البلاستيك المركب من الألومنيوم- (بطاريات الحقيبة، مثل الهواتف المحمولة الرقيقة والأجهزة القابلة للارتداء) وفقًا للشكل. يجب أن يتمتع الغلاف بخصائص-مقاومة للانفجار، ومقاوم لدرجات الحرارة العالية-ومقاومة للتآكل-، مع أن يكون خفيف الوزن قدر الإمكان لتحسين كثافة طاقة البطارية.

2. لوح الحماية: "عقل الأمان" لبطاريات الليثيوم

إذا كانت خلية البطارية هي "قلب الطاقة"، فإن لوحة الحماية هي "عقل الأمان"، المسؤول عن مراقبة حالة الشحن والتفريغ للبطارية لتجنب مخاطر مثل الشحن الزائد والتفريغ الزائد وقصر الدائرة الكهربائية. تسمى لوحة حماية بطاريات الطاقة عادةً بنظام إدارة البطارية (BMS)، بهيكل أكثر تعقيدًا، في حين أن لوحة حماية البطاريات الاستهلاكية (مثل بطاريات الهاتف المحمول) مبسطة نسبيًا. المكونات الأساسية تشمل:

شريحة الحماية/رقاقة الإدارة: وحدة التحكم الأساسية، والتي-تراقب في الوقت الفعلي الجهد والتيار ودرجة حرارة البطارية. عندما يتم اكتشاف حالات غير طبيعية (على سبيل المثال، الشحن الزائد بجهد يتجاوز 4.2 فولت، والتفريغ الزائد بجهد أقل من 3.0 فولت)، فإنه يؤدي إلى تشغيل آلية الحماية.

موسفيت: "مفتاح" التيار الذي يقطع أو يوصل دائرة الشحن والتفريغ بموجب تعليمات الشريحة. على سبيل المثال، أثناء الشحن الزائد، يقوم MOSFET بفصل مسار الشحن لتجنب تلف خلايا البطارية.

المقاومات والمكثفات: مكونات مساعدة، تستخدم لأخذ عينات التيار وتصفية الجهد لضمان دقة بيانات الكشف.

مجلس ثنائي الفينيل متعدد الكلور: "حامل" المكونات، حيث يقوم بدمج الرقائق والدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة والأجزاء الأخرى لتشكيل نظام دائرة مستقر.

بي تي سي/إن تي سي: مكونات حماية درجة الحرارة. يتمتع PTC (الثرمستور بمعامل درجة الحرارة الإيجابية) بزيادة حادة في المقاومة عند درجات الحرارة المرتفعة للحد من التيار؛ يستشعر NTC (الثرمستور بمعامل درجة الحرارة السالبة) درجة الحرارة في الوقت الفعلي ويوفر بيانات درجة الحرارة للرقاقة.

ثانيا. مزايا وعيوب بطاريات الليثيوم: لماذا يمكن أن تصبح المصدر الرئيسي للطاقة؟

يمكن أن تحل بطاريات الليثيوم محل بطاريات الرصاص-الحمضية والنيكل-والكادميوم والنيكل-بطاريات هيدريد المعدن لتصبح الخيار الأول في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية ومجالات الطاقة الجديدة، وذلك بفضل مزايا أدائها الرائعة، ولكنها أيضًا تعاني من عيوب لا يمكن إنكارها. يمكننا أن نفهم بشكل حدسي موقع بطاريات الليثيوم من خلال المقارنة الأفقية لأربعة أنواع رئيسية من البطاريات:

1. المزايا الأساسية: لماذا لا يمكن استبدال بطاريات الليثيوم؟

كثافة طاقة عالية: تبلغ كثافة الطاقة الوزنية 4-8 أضعاف كثافة بطاريات الرصاص الحمضية-، وكثافة الطاقة الحجمية 4-5 أضعاف كثافة بطاريات الرصاص الحمضية. وهذا يعني أن بطاريات الليثيوم يمكنها تخزين المزيد من الطاقة الكهربائية تحت نفس الوزن/الحجم. على سبيل المثال، بطارية الليثيوم للهاتف المحمول بسعة 1900 مللي أمبير تزن حوالي 20 جرامًا فقط، بينما تزن بطارية الرصاص الحمضية بنفس السعة أكثر من 1 كجم، وهو غير مناسب تمامًا للأجهزة المحمولة.

دورة حياة طويلة: يمكن لبطاريات الليثيوم-عالية الجودة أن تحقق أكثر من 1500 دورة، كما يمكن أن تتجاوز بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد 6000 دورة، بينما تحتوي بطاريات الرصاص-الحمضية على 200-300 دورة فقط. إذا أخذنا السيارات الكهربائية كمثال، فإن النماذج المجهزة ببطاريات الليثيوم تتمتع بعمر بطارية يتراوح بين 5 و8 سنوات، وهو ما يتجاوز بكثير عمر بطاريات الرصاص الحمضية التي تبلغ سنة أو سنتين.

صديقة للبيئة وخالية من التلوث-.: خالي من المعادن الثقيلة السامة مثل الرصاص والزئبق والكادميوم، وهو صديق للبيئة طوال دورة الحياة الكاملة للإنتاج والاستخدام والتخريد، بما يتماشى مع الاتجاه العالمي "الكربون المزدوج". في المقابل، تم تقييد التلوث بالرصاص الناتج عن بطاريات الرصاص-الحمضية والتلوث بالكادميوم الناتج عن بطاريات النيكل-الكادميوم في العديد من البلدان.

انخفاض معدل التفريغ الذاتي-: يبلغ معدل التفريغ الذاتي الشهري-2% فقط-9%، وهو أقل بكثير من 20%-30% لبطاريات هيدريد معدن النيكل. لا تزال بطارية الليثيوم الخاصة بالهاتف المحمول المشحونة بالكامل قادرة على الاحتفاظ بأكثر من 80% من طاقتها بعد أن تظل خاملة لمدة شهر واحد، في حين أن بطارية هيدريد معدن النيكل قد يتبقى منها 50% فقط.

منصة الجهد العالي: الجهد الاسمي لخلية واحدة هو 3.2-3.7 فولت، أي ما يعادل الجهد المتسلسل لـ 3 بطاريات نيكل-كادميوم/نيكل-هيدريد معدني. يمكنها تلبية متطلبات المعدات دون توصيلات متسلسلة متعددة، مما يبسط تصميم حزمة البطارية.

2. أوجه القصور الرئيسية: ما هي المشاكل التي لا تزال بحاجة إلى حل؟

تكلفة عالية: تبلغ تكلفة البطارية حوالي 2.0-3.5 يوان صيني لكل واط في الساعة، أي 2-5 أضعاف تكلفة بطاريات الرصاص الحمضية. وعلى الرغم من أنها تتناقص تدريجياً مع الإنتاج على نطاق واسع، إلا أنها لا تزال تمثل العنصر الرئيسي في تكلفة مركبات الطاقة الجديدة وأنظمة تخزين الطاقة.

ضعف القدرة على التكيف مع درجات الحرارة: درجة حرارة التشغيل المثلى هي 0-45 درجة. عندما تكون درجة الحرارة أقل من 0 درجة، تتحلل السعة بشكل كبير (على سبيل المثال، عند -20 درجة، قد تبقى السعة 50% فقط)؛ عندما تكون درجة الحرارة أعلى من 60 درجة، هناك مخاطر على السلامة. ويلزم تكوين أنظمة تدفئة/تبريد إضافية، مما يزيد التكاليف والتعقيد.

مخاطر السلامة: الشوارد السائلة قابلة للاشتعال. إذا فشل نظام الحماية (مثل الشحن الزائد، أو الثقب، أو البثق)، فقد يتسبب ذلك في انفلات حراري، مما يؤدي إلى نشوب حريق وانفجار. لذلك، يجب أن تكون بطاريات الليثيوم مجهزة بنظام إدارة المباني (BMS) أو لوحات الحماية ولا يمكن استخدامها "عارية" مثل بطاريات الرصاص-الحمضية.

متطلبات عالية لأجهزة الشحن: يلزم وجود شواحن تيار مستمر وجهد ثابت لضمان عملية شحن مستقرة وتجنب الشحن الزائد، بينما تحتاج بطاريات الرصاص-الحمضية فقط إلى منظم جهد بسيط، وتكون تكلفة الشاحن أقل.

ثالثا. نظام تصنيف بطاريات الليثيوم: كيفية الاختيار لسيناريوهات مختلفة؟

هناك أنواع عديدة من بطاريات الليثيوم، والتي يمكن تقسيمها إلى فئات متعددة حسب أبعادها المختلفة. تتميز البطاريات ذات الفئات المختلفة باختلافات كبيرة في الأداء وهي مناسبة لسيناريوهات مختلفة. يمكن أن يساعدك إتقان منطق التصنيف على فهم أفضل "لسبب استخدام بطاريات ليثيوم الكوبالت في الهواتف المحمولة واستخدام بطاريات الليثيوم فوسفات الحديد/الليثيوم الثلاثية في السيارات الكهربائية".

1. من خلال خصائص الشحن والتفريغ: البطاريات الأولية مقابل البطاريات الثانوية

البطاريات الأساسية (غير-قابلة لإعادة الشحن).: تُعرف أيضًا باسم بطاريات الليثيوم الأساسية، مثل بطاريات ثاني أكسيد منغنيز الليثيوم (بطاريات الزر CR2032، المستخدمة في أجهزة التحكم عن بعد والساعات) وبطاريات الليثيوم-كلوريد ثيونيل (المستخدمة في أجهزة إنترنت الأشياء والأدوات الطبية القابلة للزرع). وتتميز بقدرة عالية وعمر تخزيني طويل (يصل إلى 10 سنوات)، ولكن لا يمكن إعادة شحنها ويتم التخلص منها بعد الاستخدام.

البطاريات الثانوية (القابلة للشحن).: تعرف أيضًا باسم بطاريات التخزين، وهي النوع الأكثر استخدامًا في الحياة اليومية، مثل بطاريات الهاتف المحمول وبطاريات السيارات الكهربائية. يمكن شحنها وتفريغها بشكل متكرر لمدة 500-1500 مرة. الجوهر هو التفاعل العكسي لـ "هجرة أيون الليثيوم بين الكاثود والأنود"، وهو أيضًا محور هذه المقالة.

2. بواسطة مادة الكاثود: تحديد الأداء الأساسي للبطاريات

هذه هي طريقة التصنيف الأساسية، وتحدد مادة الكاثود بشكل مباشر كثافة الطاقة والسلامة وتكلفة البطارية:

أكسيد الكوبالت الليثيوم (LiCoO₂): كثافة طاقة عالية (200-250 وات/كجم)، منصة جهد عالي (3.7 فولت)، ولكن سلامة سيئة ودورة حياة قصيرة (500-800 دورة)، تستخدم بشكل رئيسي في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO₄): أمان عالي للغاية (درجة الحرارة الحرارية المنفلتة تتجاوز 200 درجة)، دورة حياة طويلة (1500-6000 دورة)، تكلفة منخفضة، ولكن كثافة طاقة منخفضة (120-180 وات ساعة/كجم)، تستخدم بشكل رئيسي في أنظمة تخزين الطاقة، والحافلات الكهربائية والمركبات الكهربائية المنخفضة الجودة.

الليثيوم الثلاثي (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): كثافة طاقة عالية (200-300 وات ساعة/كجم)، وأداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة-، ولكن الأمان متوسط ​​والتكلفة العالية. وهي مقسمة إلى NCM523 وNCM622 وNCM811 وفقًا لمحتوى النيكل (كلما زاد محتوى النيكل، زادت كثافة الطاقة)، ​​وتستخدم بشكل رئيسي في السيارات الكهربائية المتطورة والطائرات بدون طيار.

منجنات الليثيوم (LiMn₂O₄): تكلفة منخفضة، وثبات جيد في درجات الحرارة العالية-، ولكن كثافة الطاقة منخفضة (100-150 وات ساعة/كجم) ودورة حياة قصيرة (300-500 دورة)، وتستخدم بشكل رئيسي في الأدوات الكهربائية والمركبات الكهربائية منخفضة السرعة.

3. حسب الشكل: التكيف مع مساحات المعدات المختلفة

البطاريات الأسطوانية: مثل 18650 (قطر 18 مم، ارتفاع 65 مم) و21700 (قطر 21 مم، ارتفاع 70 مم)، بهيكل مستقر وكفاءة إنتاج ضخمة عالية، يستخدم بشكل أساسي في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية (على سبيل المثال، استخدمت نماذج تسلا المبكرة 18650، ثم تحولت لاحقًا إلى 21700).

البطاريات المنشورية: مثل بطاريات الهاتف المحمول (سمك 3-5 مم، عرض 40-60 مم) وبطاريات طاقة المركبات الكهربائية (سمك 10-20 مم، عرض 100-200 مم)، مع معدل استخدام مرتفع للمساحة ويمكن تخصيصها وفقًا لحجم المعدات، وهو الشكل السائد للسيارات الكهربائية في الوقت الحاضر.

بطاريات الحقيبة: مغلفة بطبقة من الألومنيوم-من البلاستيك المركب، ويمكن تصنيعها بشكل فائق-رفيعة للغاية (سمكها 0.5-2 مم) ومرنة، وتستخدم بشكل رئيسي في الهواتف المحمولة الرقيقة، والأجهزة القابلة للارتداء (مثل الساعات الذكية) والهواتف المحمولة القابلة للطي.

4. حسب حالة المنحل بالكهرباء: السائل مقابل البوليمر

بطاريات ليثيوم أيون (LIB): استخدام الإلكتروليتات السائلة، ذات كثافة طاقة عالية وتكلفة منخفضة، ولكن هناك خطر التسرب. تنتمي معظم البطاريات الصلبة الأسطوانية والمنشورية-إلى هذه الفئة.

بطاريات ليثيوم بوليمر (PLB): استخدام هلام أو إلكتروليتات صلبة، دون خطر التسرب ويمكن تشويهه بمرونة. تنتمي معظم بطاريات الأكياس إلى هذه الفئة، وتستخدم بشكل رئيسي في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.

5. حسب التطبيق: البطاريات العادية مقابل بطاريات الطاقة

البطاريات العادية: يستخدم في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، بسعة صغيرة (1000 مللي أمبير-10 أمبير) ومعدل تفريغ منخفض (0.5-2 درجة مئوية)، ويتطلب كثافة طاقة عالية.

بطاريات الطاقة: يستخدم في السيارات الكهربائية والطائرات بدون طيار، ذات سعة كبيرة (50Ah-500Ah) ومعدل تفريغ مرتفع (5-30C)، وتحتاج إلى تحمل تفريغ تيار كبير (على سبيل المثال، عند تسارع السيارة)، مما يتطلب أمانًا أعلى وعمر دورة.

رابعا. المصطلحات الأساسية لبطاريات الليثيوم: تمييز المفاهيم من السعة إلى شركة نفط الجنوب

عند شراء بطاريات الليثيوم أو استخدامها، ستواجه غالبًا مصطلحات مثل "السعة" و"معدل C-" و"SOC". يمكن أن يساعدك فهم هذه المفاهيم في الحكم بدقة على أداء البطارية وتجنب التضليل من خلال "المعلمات المميزة بشكل خاطئ".

1. السعة: ما هي كمية الكهرباء التي يمكن للبطارية تخزينها؟

تعريف: كمية الكهرباء التي يمكن للبطارية إطلاقها في ظل ظروف تفريغ معينة، ويتم حسابها بالصيغة Q=I×t (I الحالي، t هو الوقت)، بوحدات Ah (أمبير- ساعة) أو mAh (ملي أمبير- ساعة).

شرح عادي: 1 أمبير تعني أنه يمكن تفريغ البطارية عند تيار 1 أمبير لمدة ساعة واحدة، و1 مللي أمبير تعني أنها يمكن تفريغها عند تيار 1 مللي أمبير لمدة ساعة واحدة. على سبيل المثال، بطارية الهاتف المحمول بسعة 1900 مللي أمبير تعني أنه يمكن تفريغها بتيار 190 مللي أمبير لمدة 10 ساعات.

السيناريوهات المشتركة: بطاريات الهاتف المحمول: 800-1900 مللي أمبير؛ الدراجات الكهربائية: 10-20 أمبير؛ السيارات الكهربائية: 20-200 أمبير؛ بطاريات تخزين الطاقة: 100-1000 أمبير.

2. معدل الشحن/التفريغ (C-المعدل): ما مدى سرعة الشحن/التفريغ؟

تعريف: تيار الشحن/التفريغ معبرًا عنه بمضاعفات السعة الاسمية للبطارية. 1C هو تيار "الشحن/التفريغ الكامل خلال ساعة واحدة".

طريقة الحساب: إذا كانت سعة البطارية 1500 مللي أمبير، 1C=1500 مللي أمبير، 2C=3000 مللي أمبير (يتم تفريغها بالكامل خلال 0.5 ساعة)، 0.1C=150 مللي أمبير (يتم تفريغها بالكامل خلال 10 ساعات).

ملحوظات: كلما ارتفع معدل التفريغ، انخفضت السعة الفعلية للبطارية (على سبيل المثال، قد تكون السعة عند تفريغ 2 درجة مئوية 80% فقط من تلك عند تفريغ 1 درجة مئوية)، وأصبح توليد الحرارة أكثر خطورة. لذلك، يجب أن تتمتع بطاريات الطاقة بقدرة تفريغ عالية-على معدل (على سبيل المثال، تتطلب السيارات الكهربائية درجة حرارة تزيد عن 5 درجات مئوية).

3. الجهد (OCV): "منصة الجهد" للبطاريات

الجهد الاسمي: الجهد المقنن للبطارية. بطاريات الليثيوم العادية هي 3.2-3.7 فولت (أكسيد كوبالت الليثيوم: 3.7 فولت؛ فوسفات حديد الليثيوم: 3.2 فولت)، وهو مؤشر مهم لأداء البطارية.

جهد الدائرة المفتوحة (OCV): جهد البطارية في حالة عدم توصيل أي حمل، والذي يمكن استخدامه للحكم على حالة البطارية (على سبيل المثال، يبلغ OCV لبطارية أكسيد الكوبالت الليثيوم المشحونة بالكامل حوالي 4.2 فولت، وحوالي 3.0 فولت عندما تكون خارج الطاقة).

منصة الجهد: نطاق الجهد الثابت أثناء شحن البطارية وتفريغها (عادة 20%-80% من السعة)، حيث يتغير الجهد قليلاً. على سبيل المثال، منصة الجهد لبطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم هي 3.6-3.9 فولت، وهو أيضًا نطاق جهد التشغيل الطبيعي للمعدات.

4. الطاقة والطاقة: إلى متى يمكن استخدامها؟ ما مقدار الطاقة التي يمكن أن تنتجها؟

طاقة: إجمالي الطاقة الكهربائية التي يمكن للبطارية تخزينها، ويتم حسابها بالصيغة E=U×Q (U هو الجهد، Q هي السعة)، بوحدات Wh (واط-ساعة) أو kWh (كيلوواط-ساعة، 1kWh=1 درجة من الكهرباء). على سبيل المثال، تبلغ طاقة بطارية الهاتف المحمول التي تبلغ سعتها 1900 مللي أمبير في الساعة و3.7 فولت 3.7 فولت × 1.9 أمبير في الساعة=7.03 واط في الساعة.

قوة: الطاقة التي يمكن للبطارية إخراجها لكل وحدة زمنية، ويتم حسابها بالصيغة P=U×I، بوحدات W (واط). تحدد القوة "قوة الانفجار" للمعدات. على سبيل المثال، تحتاج السيارات الكهربائية إلى بطاريات ذات طاقة عالية-عند التسارع، بينما تحتاج الهواتف المحمولة فقط إلى بطاريات ذات طاقة منخفضة-.

5. دورة الحياة: كم مرة يمكن شحن البطارية وتفريغها؟

تعريف: الشحن والتفريغ للبطارية هو دورة واحدة. عندما تنخفض السعة إلى 60%-70% من السعة الأولية، يعتبر ذلك نهاية العمر الافتراضي.

اختبار قياسي: ينص معيار IEC على أن بطاريات الليثيوم للهاتف المحمول التي يتم تفريغها إلى 3.0 فولت عند 0.2 درجة مئوية وشحنها إلى 4.2 فولت عند 1 درجة مئوية يجب أن تكون سعتها أكبر من أو تساوي 60% بعد 500 دورة؛ ينص المعيار الوطني على أن السعة يجب أن تكون أكبر من أو تساوي 70% بعد 300 دورة.

اقتراح الاستخدام: تجنب الشحن والتفريغ العميق (على سبيل المثال، لا تقم بالشحن حتى 100% أو التفريغ إلى 0% في كل مرة)، مما قد يؤدي إلى إطالة عمر الدورة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الحفاظ على بطارية الهاتف المحمول بنسبة تتراوح بين 20% إلى 80% من الطاقة إلى إطالة عمر البطارية إلى أكثر من 1000 دورة.

6. عمق التفريغ (DOD) وحالة الشحن (SOC): ما مقدار الطاقة المتبقية في البطارية؟

وزارة الدفاع: النسبة المئوية للسعة المفرغة إلى السعة المقدرة. على سبيل المثال، إذا كانت السعة المفرغة 500 مللي أمبير في الساعة والسعة المقدرة 1000 مللي أمبير في الساعة، DOD=50%. كلما كان DOD أعمق، كان عمر البطارية أقصر.

شركة نفط الجنوب: النسبة المئوية للسعة المتبقية إلى السعة المقدرة. 0% تعني عدم وجود طاقة، و100% تعني أنها مشحونة بالكامل. يحكم BMS على الطاقة المتبقية للبطارية من خلال SOC، ويتم حساب عرض طاقة الهاتف المحمول بناءً على SOC.

7. قطع-الجهد الكهربائي: "الخط الأحمر" للشحن/التفريغ

قطع الشحن-إيقاف الجهد الكهربي: الجهد الذي لا يمكن شحن البطارية به أكثر. بالنسبة لبطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم، فهي 4.2 فولت؛ أما بالنسبة لبطاريات ليثيوم فوسفات الحديد فهي 3.65 فولت. سيؤدي تجاوز هذا الجهد إلى تلف خلايا البطارية والهروب الحراري.

قطع التفريغ-الجهد الكهربي: الجهد الذي لا يمكن عنده تفريغ البطارية أكثر. بالنسبة لبطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم، فهي 3.0 فولت؛ أما بالنسبة لبطاريات ليثيوم فوسفات الحديد فهي 2.5 فولت. سيؤدي انخفاض هذا الجهد إلى حدوث ضرر لا يمكن إصلاحه للأنود، ولا يمكن استعادة السعة.

8. المقاومة الداخلية: "الخسارة غير المرئية" للبطاريات

تعريف: المقاومة داخل البطارية التي تعيق تدفق التيار، بوحدات mΩ (ملي أوم)، مقسمة إلى مقاومة داخلية أومية (ناتجة عن المواد والبنية) ومقاومة داخلية استقطابية (ناتجة عن التفاعلات الكهروكيميائية).

تأثير: كلما كانت المقاومة الداخلية أصغر، زادت كفاءة شحن وتفريغ البطارية وقل توليد الحرارة. على سبيل المثال، يجب التحكم في المقاومة الداخلية لبطاريات الطاقة بأقل من 50 مللي أوم، وإلا سيحدث توليد حرارة شديدة أثناء تفريغ التيار العالي-.

V. قواعد تسمية بطاريات الليثيوم: فهم الأبعاد من النماذج

تختلف تسمية بطاريات الليثيوم بين الشركات المصنعة المختلفة، لكن البطاريات العامة تتبع معيار IEC61960. يمكن الحكم على نوع وحجم البطارية من خلال الموديل لتجنب شراء الموديل الخاطئ.

1. البطاريات الأسطوانية: 3 أرقام + 5 أحرف

معنى الرسالة: الحرف الأول يشير إلى مادة الأنود (أنا=بنيت-في أيون الليثيوم، L=معدن الليثيوم)؛ يشير الحرف الثاني إلى مادة الكاثود (C=كوبالت، N=نيكل، M=منغنيز، V=فاناديوم)؛ الحرف الثالث=ر (أسطواني).

معنى الرقم: أول رقمين=قطر (مم)، آخر 3 أرقام=ارتفاع (مم).

أمثلة: ICR18650 - I (أنود أيون الليثيوم)، C (كاثود أكسيد الكوبالت الليثيوم)، R (أسطواني)، قطر 18 مم، ارتفاع 65 مم، البطارية الأكثر شيوعًا لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية؛ INR21700 - I (أنود أيون الليثيوم)، N (الكاثود القائم على النيكل-)، الليثيوم الثلاثي)، R (أسطواني)، قطر 21 مم، ارتفاع 70 مم، بقدرة أعلى بنسبة 50% من 18650، المستخدمة في Tesla Model 3.

2. البطاريات المنشورية: 3 حروف + 6 أرقام

معنى الرسالة: الحرفان الأولان هما نفس حرفي البطاريات الأسطوانية، الحرف الثالث=P (المنشوري).

معنى الرقم: أول رقمين=سمك (مم)، الرقمين الأوسطين=عرض (مم)، آخر رقمين=ارتفاع (مم).

أمثلة: ICP053353 - I (أنود أيون الليثيوم)، C (كاثود أكسيد الكوبالت الليثيوم)، P (موشوري)، سمك 5 مم، عرض 33 مم، ارتفاع 53 مم، بطارية هاتف محمول نموذجية؛ IFP101520 - I (أنود أيون الليثيوم)، F (كاثود قائم على الحديد-، فوسفات حديد الليثيوم)، P (موشوري)، سمك 10 مم، عرض 15 مم، ارتفاع 20 مم، يستخدم في الساعات الذكية.

سادسا. عملية الإنتاج الكاملة لبطاريات الليثيوم: السعي لتحقيق التميز في كل خطوة من المواد إلى الخلايا

يعد إنتاج بطاريات الليثيوم عملية معقدة ومؤتمتة للغاية، وتتضمن ثلاث روابط رئيسية: العمليات الأمامية-، والوسطى-، والخلفية-. يؤثر التحكم الدقيق في كل وصلة بشكل مباشر على أداء البطارية وسلامتها، وهو ما يُعرف باسم "الجمع بين الصناعة الكيميائية الدقيقة والتصنيع الدقيق".

1. العملية الأمامية-: تصنيع صفائح الأقطاب الكهربائية (مفتاح تحديد سعة البطارية)

خلط الطين: مزيج المواد النشطة الكاثود (على سبيل المثال، LiCoO₂)، والعوامل الموصلة (أسود الكربون)، والمواد الرابطة (PVDF) والمذيبات (NMP) في خلاط فراغ لتشكيل ملاط ​​موحد؛ الأمر نفسه ينطبق على الأنود، مع الجرافيت كمادة نشطة، CMC/SBR كمادة رابطة والماء كمذيب. المتطلبات الأساسية: يجب أن يكون الملاط موحدًا بدون جزيئات، وإلا فإنه سيؤدي إلى سعة غير متساوية.

طلاء: قم بتغطية ملاط ​​الكاثود / الأنود بشكل موحد على المجمع الحالي (رقائق الألومنيوم للكاثود، ورقائق النحاس للأنود)، والتحكم في سمك الطلاء (± 1 ميكرومتر) وكثافة المساحة (وزن المادة النشطة لكل وحدة مساحة). المتطلبات الأساسية: يجب أن يكون الطلاء موحدًا، وإلا فإنه سيؤدي إلى تسخين محلي وتخفيف قدرة البطارية.

تجفيف: قم بتبخير المذيب (NMP أو الماء) في الفرن مع التحكم في درجة الحرارة عند 80-120 درجة. يجب أن تكون سرعة الرياح ومعدلها دقيقين لتجنب تشقق الطلاء وتجعده.

التقويم: اضغط على البارد- على صفائح الأقطاب الكهربائية المجففة باستخدام تقويم دقيق لزيادة كثافة الطلاء (تقليل المسامية)، وتحسين كثافة الطاقة، وضمان سماكة موحدة (±0.5μm).

الحز: قم بقطع صفائح القطب العريضة طوليًا إلى شرائح ضيقة بالعرض المطلوب، مع تجنب النتوءات (ستؤدي النتوءات إلى حدوث دوائر قصيرة).

لحام التبويب: لحام الألسنة المعدنية (ألسنة الألومنيوم للكاثود، ألسنة النيكل للأنود) في مواضع محددة على صفائح الإلكترود كنقاط استخلاص للتيار. يجب أن تضمن جودة اللحام عدم وجود وصلات لحام باردة أو لحام كاذب.

2. العملية الوسطى-النهاية: تجميع الخلايا (مفتاح تحديد سلامة البطارية)

لف / التراص: قم بتكديس الكاثود والفاصل والأنود بترتيب "الفاصل - الكاثود الفاصل - الكاثود الفاصل -"، ثم لفها إلى خلايا أسطوانية/منشورية باستخدام آلة لف (نوع الجرح)، أو تكديسها في خلايا منشورية باستخدام آلة تكديس (نوع مكدس). النوع المكدس لديه معدل استخدام مساحة أعلى ومقاومة داخلية أقل ولكن كفاءة منخفضة؛ يتميز نوع الجرح بكفاءة عالية ومناسب للإنتاج الضخم.

الغلاف/التغليف: وضع خلايا ذات قشرة صلبة أسطوانية/منشورية-في أغلفة معدنية (أغلفة من الفولاذ/الألومنيوم)؛ وضع خلايا الأكياس في أغلفة الأغشية البلاستيكية المركبة من الألومنيوم-.

الخبز: ضع الخلايا المغلفة في فرن مفرغ واخبزها على درجة حرارة 80-120 درجة لمدة 4-8 ساعات لإزالة الرطوبة تمامًا من الخلايا (يجب التحكم في محتوى الرطوبة أقل من 50 جزء في المليون)، وإلا فإنها سوف تتفاعل مع المنحل بالكهرباء لتوليد غازات ضارة.

حقن المنحل بالكهرباء: حقن كمية محددة بدقة من المنحل بالكهرباء في الخلايا في غرفة جافة مع نقطة ندى أقل من -40 درجة. يجب أن يتسلل المنحل بالكهرباء بالكامل إلى صفائح القطب الكهربائي والفواصل. يجب التحكم في خطأ كمية الحقن ضمن ±0.1 جرام، وإلا فإنه سيؤثر على سعة البطارية.

ختم: الحرارة الفراغية-تغلق منفذ حقن الإلكتروليت في خلايا الحقيبة؛ أغلق فتحة حقن الإلكتروليت في الخلايا الصلبة- باستخدام كرات فولاذية (أسطوانية) أو مسامير مانعة للتسرب (منشورية)، وتأكد من إحكام إغلاق الهواء عن طريق اللحام بالليزر (سوف يتسبب تسرب الهواء في تطاير الإلكتروليت وتوهين السعة).

3. رجوع-إنهاء العملية: التكوين والاختبار (فحص المنتجات المؤهلة)

تشكيل: قم بشحن الخلايا لأول مرة لتشكيل طبقة مستقرة من واجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI) على سطح الأنود، والتي تسمح لأيونات الليثيوم بالمرور ولكنها تحجب الإلكترونات، وهو مفتاح عمر دورة البطارية وسلامتها. تيار الشحن صغير (0.1-0.2C) والوقت طويل (8-12 ساعة).

شيخوخة: دع الخلايا المشكلة تقف عند درجة حرارة الغرفة أو درجة حرارة عالية (45 درجة) لمدة 3-7 أيام لتثبيت فيلم SEI، وفحص الخلايا المعيبة ذات التفريغ الذاتي المفرط (على سبيل المثال، الخلايا ذات انخفاض الجهد الذي يتجاوز 50 مللي فولت).

تصنيف القدرات: إجراء اختبارات تفريغ الشحن القياسي- على الخلايا القديمة (الشحن إلى الحد الأعلى من الجهد، والتفريغ إلى الحد الأدنى من الجهد)، وقياس السعة الفعلية، والتصنيف وفقًا للسعة (على سبيل المثال، الدرجة أ: 4950-5050 مللي أمبير، الدرجة ب: 4850-4950 مللي أمبير) لضمان سعة متسقة للخلايا في نفس المجموعة.

فرز: تصنيف الخلايا وفقًا لمعلمات مثل السعة وجهد الدائرة المفتوحة والمقاومة الداخلية، وإزالة المنتجات المعيبة (على سبيل المثال، الخلايا ذات المقاومة الداخلية المفرطة والقدرة غير الكافية).

اختبار المظهر والأداء: التحقق من مظهر الخلايا (عدم وجود خدوش أو تسرب أو تشوه)، وإجراء اختبارات مقاومة العزل والمقاومة الداخلية للتيار المتردد واختبارات الدائرة القصيرة للتأكد من أن أداء السلامة يلبي المعايير.

سابعا. اتجاهات الصناعة وممارسات المؤسسات: أين مستقبل بطاريات الليثيوم؟

مع التطور السريع لصناعة الطاقة الجديدة، تواصل تكنولوجيا بطاريات الليثيوم اختراقها، وظهر عدد من الشركات التي تركز على المجالات المجزأة، مما شجع على توسيع بطاريات الليثيوم من مجال "الإلكترونيات الاستهلاكية" إلى مجالات "الصناعة والطاقة".

1. اتجاهات التكنولوجيا: من السائل إلى الصلب، ومن السعة العالية إلى الأمان العالي

بطاريات الحالة الصلبة-: استبدل الإلكتروليتات السائلة والفواصل بإلكتروليتات صلبة، مما يؤدي إلى تحسين السلامة بشكل كبير (عدم وجود تسرب أو خطر الانفلات الحراري)، بكثافة طاقة تصل إلى 400-600 وات ساعة/كجم (ضعف بطاريات الليثيوم الموجودة)، والتي يمكن أن تدعم المركبات الكهربائية بنطاق إبحار يزيد عن 1000 كيلومتر. في الوقت الحالي، دخلت البطاريات شبه الصلبة- (التي تبلغ نسبة الإلكتروليت فيها 5%-10%) مرحلة الإنتاج الضخم (على سبيل المثال، إصدار البطاريات شبه الصلبة NIO ET7-)، ومن المتوقع أن يتم إنتاج جميع-بطاريات الحالة الصلبة بكميات كبيرة في عام 2030 تقريبًا.

تقنية الشحن السريع: تحقيق "80% شحن في 10 دقائق" من خلال تحسين المواد (مثل الأنودات القائمة على السيليكون-، والإلكتروليتات سريعة الشحن-) والتصميم الهيكلي. على سبيل المثال، يمكن لبطارية الشحن الفائقة S4-المجهزة بـ Xpeng G9 شحن مسافة 400 كيلومتر في 10 دقائق.

تخفيض التكلفة: من خلال الإنتاج على نطاق واسع- (تجاوزت سعة إنتاج بطاريات الليثيوم العالمية 2 تيراواط في الساعة)، وابتكار المواد (مثل فوسفات الحديد الليثيوم المنغنيز الذي يحل محل الليثيوم الثلاثي)، وتحسين العمليات (مثل تقنية CTP/CTC، وتقليل مكونات الوحدة)، انخفضت تكلفة البطارية من 5 يوان صيني/وات ساعي في عام 2015 إلى أقل من 1.5 يوان صيني/وات ساعي في عام 2025، ومن المتوقع أن تنخفض أكثر إلى 1 يوان صيني/وات ساعي في عام المستقبل.

2. ممارسة المؤسسة: Zhongchuang Feiyue - التركيز على "ثورة تبديل البطاريات" لمركبتين كهربائيتين بعجلتين-

في مجال المركبات الكهربائية-ذات العجلتين، تتم ترقية تطبيق بطاريات الليثيوم من "الشحن" إلى "تبديل البطارية". تعتبر Zhongchuang Feiyue (التابعة لمجموعة Zhongchuang New Energy Technology Group) مؤسسة تمثيلية لهذا الاتجاه. وتشمل ممارساتها الأساسية ما يلي:

السيناريو-الحلول القائمة: توفير بطاريات ليثيوم-عالية الأمان وطويلة-العمر لسيناريوهات مثل الدراجات الكهربائية المشتركة، والتسليم الفوري (الطلبات الخارجية، والتسليم السريع) والسفر الشخصي. على سبيل المثال، تتمتع بطارية مركبات التوصيل بعمر دورة يزيد عن 2000 مرة، مما يلبي الطلب اليومي على مسافة 100 كيلومتر.

نموذج مبادلة البطارية المبتكرة: طرح مفهوم "تبديل البطارية بدلاً من الشحن أكثر أمانًا"، ونشر محطات تبديل البطاريات في أكثر من 100 مدينة في جميع أنحاء البلاد. يمكن للمستخدمين إكمال عملية تبديل البطارية خلال 30 ثانية فقط، مما يؤدي إلى حل مشكلات "الشحن البطيء ومخاطر الشحن الآمنة" للمركبتين-المركبتين بعجلتين، مما يخدم أكثر من 400 مليون مستخدم للسفر بعجلتين-.

القدرة الإنتاجية والعولمة: مع قدرة إنتاجية سنوية تزيد عن 5 جيجاوات في الساعة، يتم تصدير المنتجات إلى أكثر من 10 دول، مع التكيف مع معايير الجهد الكهربي والظروف المناخية لمختلف البلدان (على سبيل المثال، إصدار البطاريات ذات درجات الحرارة العالية-لجنوب شرق آسيا، والتي يمكن أن تعمل بثبات في بيئة تبلغ درجة حرارتها 60 درجة).

الخلاصة: بطاريات الليثيوم - المحرك الأساسي لثورة الطاقة

من الهواتف المحمولة إلى السيارات الكهربائية، ومن تخزين الطاقة إلى الاقتصاد في الارتفاعات-المنخفضة، أصبحت بطاريات الليثيوم المحرك الأساسي الذي يقود ثورة الطاقة. ولا يرتبط تطورها التكنولوجي بتحسين أداء المعدات فحسب، بل يرتبط أيضًا بتحقيق هدف "الكربون المزدوج" وتحويل هيكل الطاقة. في المستقبل، مع تقدم بطاريات الحالة الصلبة- وتكنولوجيا الشحن السريع، بالإضافة إلى التخفيض المستمر للتكاليف، ستلعب بطاريات الليثيوم دورًا في المزيد من المجالات (مثل الفضاء الجوي واستكشاف أعماق البحار-)، مما يوفر دعمًا قويًا لمستقبل الطاقة البشرية الخضراء.

بالنسبة للمستخدمين العاديين، فإن فهم المبادئ الأساسية ومعايير الأداء لبطاريات الليثيوم يمكن أن يساعدنا في استخدام البطاريات بشكل أكثر علمية (مثل تجنب الشحن الزائد والتفريغ الزائد-)؛ بالنسبة لممارسي الصناعة، يعد استيعاب الاتجاهات الفنية واحتياجات السيناريو هو المفتاح لإيجاد الفرص في "المسار على مستوى -المليار-}المائة" من بطاريات الليثيوم. سواء كنت مستهلكًا أو ممارسًا، فإن قصة بطاريات الليثيوم لا تزال مستمرة.