ניתוח מקיף של סוללות ליתיום: מהיסודות לייצור, מבנה, תהליכים, יישומים ומגמות בתעשייה

סוללות ליתיום היו מזמן "ליבת האנרגיה" במגזרים כגון מוצרי אלקטרוניקה, רכבי אנרגיה חדשים, מערכות אחסון אנרגיה ואפילו חסכון בגובה- נמוך. החל ממכשירים קטנים כמו טלפונים ניידים ומחשבים ניידים ועד לציוד-בקנה מידה גדול כגון רכבים חשמליים ותחנות כוח לאחסון אנרגיה, הביצועים שלהם קובעים ישירות את הסיבולת, רמת הבטיחות וחיי השירות של הציוד. מאמר זה מפרק באופן מקיף את רכיב האנרגיה הקריטי הזה, מכסה את הרכב הליבה שלו, יתרונות וחסרונות השוואה, מערכת סיווג, מינוח מקצועי, כללי שמות, כמו גם את כל תהליך הייצור ושיטות העבודה בתעשייה, חושף עבורכם את התעלומות הטכניות של סוללות ליתיום.

I. הרכב הליבה של סוללות ליתיום: סינרגיה בין "לב" ל"מוח"

הפעולה היציבה של סוללת ליתיום מסתמכת על הסינרגיה של שתי מערכות עיקריות: "אספקת אנרגיה" ו"בקרת בטיחות". באופן ספציפי, ניתן לחלק אותו לשני חלקים: תא הסוללה ולוח ההגנה (או BMS), שלכל אחד מהם יש פונקציה שאין לה תחליף.

1. תא סוללה: "לב האנרגיה" של סוללות הליתיום

תא הסוללה הוא הליבה לאחסון ושחרור אנרגיה חשמלית, שווה ערך ל"לב" של סוללת ליתיום. הביצועים שלו קובעים ישירות את צפיפות האנרגיה, חיי המחזור והבטיחות של הסוללה. תא הסוללה מורכב בעיקר מ-5 מרכיבים מרכזיים:

חומר קתודה: "מקור" תפוקת האנרגיה, המשחרר יוני ליתיום במהלך פריקה. חומרים נפוצים כוללים תחמוצת ליתיום קובלט (LiCoO₂, המשמשת באלקטרוניקה צרכנית כגון טלפונים ניידים ומחשבים ניידים, עם פלטפורמת מתח גבוה אך בטיחות חלשה), ליתיום ברזל פוספט (LiFePO₄, המשמש לאגירת אנרגיה ורכבים חשמליים, עם בטיחות גבוהה וחיי מחזור ארוכים), ליתיום טרינירי (LiNi₧n_Co₂nₓz) כלי רכב חשמליים-יוקרתיים, המתהדרים בצפיפות אנרגיה גבוהה) וליתיום מנגנט (LiMn₂O₄, המשמש בכלים חשמליים, בעל עלות נמוכה אך יציבות-טמפרטורות ירודה).

חומר אנודה: ה"מחסן" לאגירת אנרגיה, אשר סופח יוני ליתיום במהלך הטעינה ושולח אותם בחזרה לקתודה בזמן פריקה. נכון לעכשיו, גרפיט הוא הזרם המרכזי (עם עלות נמוכה ויציבות טובה, המהווה יותר מ-90% משוק חומרי האנודה). הדור החדש של האנודות המבוססות על-סיליקון (עם קיבולת תיאורטית של יותר מפי 10 מזו של גרפיט) ​​ממוסחר בהדרגה, בעוד אנודות מתכת ליתיום עדיין נמצאות בשלב המו"פ עקב בעיות דנדריטים.

אלקטרוליט: ה"ערוץ" לנדידת יוני ליתיום, לרוב מורכב ממלח ליתיום (למשל, LiPF₆, המספק יוני ליתיום), ממסים אורגניים (למשל, קרבונטים, המסת מלחי ליתיום) ותוספים (משפרים את חיי המחזור והבטיחות). הטוהר והיציבות שלו משפיעים ישירות על ביצועי הטמפרטורות הגבוהות והנמוכות- ועל רמת הבטיחות של הסוללה. לדוגמה, לחות מוגזמת תגיב עם מלחי ליתיום כדי ליצור גזים מזיקים, מה שיגרום לסכנות בטיחותיות פוטנציאליות.

מפריד: "מחסום הבטיחות" בין הקתודה לאנודה, סרט פולימרי נקבובי (בעיקר פוליאתילן PE ופוליפרופילן PP). זה לא רק יכול למנוע מגע ישיר וקצר חשמלי בין הקתודה לאנודה אלא גם לאפשר ליוני ליתיום לעבור. מפרידים באיכות גבוהה- צריכים להיות בעלי גודל נקבוביות אחיד, חוזק מכני מספיק ויציבות כימית. בטמפרטורות גבוהות, הם יכולים גם לחסום העברת יונים באמצעות "אפקט הכיבוי" כדי למנוע בריחה תרמית.

פָּגָז: "כיסוי המגן" של תא הסוללה, מחולק למעטפת אלומיניום (סוללות מנסרות, כגון סוללות טלפונים ניידים), מעטפת פלדה (סוללות גליליות, כגון 18650) וסרט פלסטיק מרוכב-אלומיניום (סוללות שקיות, כגון טלפונים ניידים דקים ומכשירים לבישים) לפי הצורה. למעטפת צריכה להיות חסינת פיצוץ-, עמידה-בטמפרטורה גבוהה ועמידות- בפני קורוזיה, תוך שהיא קלה ככל האפשר כדי לשפר את צפיפות האנרגיה של הסוללה.

2. לוח הגנה: "מוח הבטיחות" של סוללות ליתיום

אם תא הסוללה הוא "לב האנרגיה", לוח ההגנה הוא "מוח הבטיחות", האחראי על ניטור מצב הטעינה והפריקה של הסוללה כדי למנוע סיכונים כמו טעינת יתר,-פריקת יתר וקצר חשמלי. לוח ההגנה של סוללות חשמל נקרא בדרך כלל מערכת ניהול הסוללות (BMS), עם מבנה מורכב יותר, בעוד שלוח ההגנה של סוללות לצרכן (כגון סוללות טלפונים ניידים) הוא פשוט יחסית. מרכיבי הליבה כוללים:

שבב הגנה/שבב ניהול: יחידת בקרת הליבה, אשר-מנטרת בזמן אמת את המתח, הזרם והטמפרטורה של הסוללה. כאשר מתגלות חריגות (למשל, טעינת יתר עם מתח העולה על 4.2V, פריקת יתר- עם מתח מתחת ל-3.0V), זה מפעיל את מנגנון ההגנה.

MOSFET: ה"מתג" של הזרם, שמנתק או מוליך את מעגל הטעינה והפריקה בהוראת השבב. לדוגמה, במהלך טעינת יתר, ה-MOSFET מנתק את נתיב הטעינה כדי למנוע נזק לתאי הסוללה.

נגדים וקבלים: רכיבי עזר, המשמשים לדגימת זרם וסינון מתח כדי להבטיח את הדיוק של נתוני הזיהוי.

לוח PCB: ה"נשא" של רכיבים, שילוב שבבים, MOSFET וחלקים אחרים ליצירת מערכת מעגלים יציבה.

PTC/NTC: רכיבי הגנה מפני טמפרטורה. ל-PTC (תרמיסטור מקדם טמפרטורה חיובי) יש עלייה חדה בהתנגדות בטמפרטורות גבוהות כדי להגביל את הזרם; NTC (תרמיסטור מקדם טמפרטורה שלילי) מזהה טמפרטורה בזמן אמת ומספק נתוני טמפרטורה עבור השבב.

II. יתרונות וחסרונות של סוללות ליתיום: מדוע הן יכולות להפוך למקור האנרגיה המרכזי?

סוללות ליתיום יכולות להחליף עופרת-חומצה, ניקל-קדמיום וניקל-סוללות מתכת הידריד כדי להפוך לבחירה הראשונה בתחום האלקטרוניקה הצרכנית והאנרגיה החדשה, הודות ליתרונות הביצועים הבולטים שלהן, אבל יש להן גם חסרונות שאין להכחישה. אנו יכולים להבין בצורה אינטואיטיבית יותר את המיקום של סוללות ליתיום באמצעות השוואה אופקית של ארבעה סוגי סוללות מיינסטרים:

1. יתרונות ליבה: מדוע סוללות ליתיום אינן ניתנות להחלפה?

צפיפות אנרגיה גבוהה: צפיפות האנרגיה הגרבימטרית היא פי 4-8 מזו של סוללות חומצה עופרת-, וצפיפות האנרגיה הנפחית היא פי 4- מזו של סוללות עופרת-חומצה. המשמעות היא שסוללות ליתיום יכולות לאגור יותר אנרגיה חשמלית תחת אותו משקל/נפח. לדוגמה, סוללת ליתיום לטלפון נייד בקיבולת 1900mAh שוקלת כ-20 גרם בלבד, בעוד שסוללת עופרת בעלת קיבולת זהה שוקלת יותר מ-1 ק"ג, דבר שאינו מתאים לחלוטין למכשירים ניידים.

חיי מחזור ארוכים: סוללות ליתיום- באיכות גבוהה יכולות להגיע ליותר מ-1500 מחזורים, וסוללות ליתיום ברזל פוספט יכולות אפילו לעלות על 6000 מחזורים, בעוד שלסוללות חומצה-עופרת יש רק 200-300 מחזורים. אם ניקח לדוגמה כלי רכב חשמליים, לדגמים המצוידים בסוללות ליתיום יש חיי סוללה של 5-8 שנים, העולה בהרבה על 1-2 השנים של סוללות עופרת.

ידידותי לסביבה וזיהום-ללא תשלום: נקי ממתכות כבדות רעילות כגון עופרת, כספית וקדמיום, הוא ידידותי לסביבה לאורך כל מחזור החיים של הייצור, השימוש והגריטה, בהתאם למגמת "הפחמן הכפול" העולמי. לעומת זאת, זיהום עופרת מסוללות-עופרת וזיהום קדמיום מסוללות ניקל-קדמיום הוגבלו במדינות רבות.

קצב פריקה עצמי- נמוך: קצב הפריקה החודשי-העצמי הוא רק 2%-9%, נמוך בהרבה מ-20%-30% של סוללות ניקל-מתכת הידריד. סוללת ליתיום לטלפון סלולרי טעונה במלואה יכולה עדיין לשמור על יותר מ-80% מהספק שלה לאחר שהייתה לא פעילה במשך חודש אחד, בעוד שלסוללת ניקל-מתכת הידריד אולי נותרו רק 50%.

פלטפורמת מתח גבוה: המתח הנומינלי של תא בודד הוא 3.2-3.7V, שווה ערך למתח הסדרתי של 3 סוללות ניקל-קדמיום/ניקל-מתכת הידריד. זה יכול לעמוד בדרישות הציוד ללא חיבורי סדרה מרובים, מה שמפשט את עיצוב ערכת הסוללות.

2. חסרונות עיקריים: אילו בעיות עדיין צריך לפתור?

עלות גבוהה: עלות הסוללה היא בערך 2.0-3.5 CNY לWh, פי 2- מזו של סוללות עופרת חומצה. למרות שהוא יורד בהדרגה עם ייצור בקנה מידה גדול, הוא עדיין פריט העלות העיקרי של רכבי אנרגיה חדשים ומערכות אחסון אנרגיה.

יכולת הסתגלות לקויה לטמפרטורה: טמפרטורת ההפעלה האופטימלית היא 0-45 מעלות. כאשר הטמפרטורה נמוכה מ-0 מעלות, הקיבולת יורדת באופן משמעותי (למשל, ב-20 מעלות, הקיבולת עשויה להישאר רק ב-50%); כאשר הטמפרטורה היא מעל 60 מעלות, ישנם סיכונים בטיחותיים. יש להגדיר מערכות חימום/קירור נוספות, מה שמגדיל את העלויות והמורכבות.

סכנות בטיחותיות: אלקטרוליטים נוזליים הם דליקים. אם מערכת ההגנה נכשלת (כגון טעינת יתר, ניקוב, אקסטרוזיה), היא עלולה לגרום לבריחה תרמית, ולהוביל לשריפה ופיצוץ. לכן, סוללות ליתיום חייבות להיות מצוידות ב-BMS או לוחות הגנה ולא ניתן להשתמש בהן "עירום" כמו סוללות עופרת-חומצה.

דרישות גבוהות למטענים: נדרשים מטענים של זרם קבוע ומתח קבוע כדי להבטיח תהליך טעינה יציב ולהימנע מטעינת יתר, בעוד שסוללות עופרת-חומצה זקוקות רק לווסת מתח פשוט, ועלות המטען נמוכה יותר.

III. מערכת סיווג של סוללות ליתיום: כיצד לבחור עבור תרחישים שונים?

ישנם סוגים רבים של סוללות ליתיום, אותן ניתן לחלק למספר קטגוריות לפי מידות שונות. לסוללות מקטגוריות שונות יש הבדלי ביצועים משמעותיים ומתאימות לתרחישים שונים. שליטה בלוגיקת הסיווג יכולה לעזור לך להבין טוב יותר "מדוע משתמשים בסוללות קובלט ליתיום בטלפונים ניידים וסוללות ליתיום ברזל פוספט/ליתיום טרנרי משמשות בכלי רכב חשמליים".

1. לפי מאפייני טעינה ופריקה: סוללות ראשוניות לעומת סוללות משניות

סוללות ראשיות (לא-נטענות).: ידועות גם כסוללות ליתיום ראשוניות, כגון סוללות ליתיום מנגן דו-חמצני (סוללות לחצני CR2032, המשמשות בשלטים ושעונים) וסוללות ליתיום-תיוניל כלוריד (המשמשות במכשירי האינטרנט של הדברים ובמכשירים מושתלים רפואיים). הם מאופיינים בקיבולת גבוהה ובחיי אחסון ארוכים (עד 10 שנים), אך אינם ניתנים לטעינה מחדש והם נזרקים לאחר השימוש.

סוללות משניות (נטענות).: ידועות גם כסוללות אחסון, הן הסוג הנפוץ ביותר בחיי היומיום, כגון סוללות לטלפונים ניידים וסוללות לרכב חשמלי. ניתן לטעון ולפרוק אותם שוב ושוב במשך 500-1500 פעמים. הליבה היא התגובה ההפיכה של "נדידת יוני ליתיום בין הקתודה לאנודה", שהיא גם המוקד של מאמר זה.

2. לפי חומר קתודה: קביעת ביצועי הליבה של סוללות

זוהי שיטת הסיווג המרכזית ביותר, וחומר הקתודה קובע ישירות את צפיפות האנרגיה, הבטיחות והעלות של הסוללה:

ליתיום קובלט אוקסיד (LiCoO₂): צפיפות אנרגיה גבוהה (200-250Wh/kg), פלטפורמת מתח גבוה (3.7V), אך בטיחות ירודה וחיי מחזור קצרים (500-800 מחזורים), משמשת בעיקר במוצרי אלקטרוניקה כגון טלפונים ניידים ומחשבים ניידים.

ליתיום ברזל פוספט (LiFePO₄): בטיחות גבוהה במיוחד (טמפרטורת בריחה תרמית עולה על 200 מעלות), חיי מחזור ארוכים (1500-6000 מחזורים), עלות נמוכה, אך צפיפות אנרגיה נמוכה (120-180Wh/kg), משמש בעיקר במערכות אחסון אנרגיה, אוטובוסים חשמליים וכלי רכב חשמליים מתקדמים.

ליתיום טריני (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): צפיפות אנרגיה גבוהה (200-300Wh/kg), ביצועים טובים בטמפרטורה-נמוכה, אך בטיחות בינונית ועלות גבוהה. הוא מחולק ל-NCM523, NCM622 ו-NCM811 לפי תכולת הניקל (ככל שתכולת הניקל גבוהה יותר, כך צפיפות האנרגיה גבוהה יותר), המשמש בעיקר בכלי רכב חשמליים מתקדמים ומזל"טים.

ליתיום מנגנט (LiMn₂O₄): עלות נמוכה, יציבות טובה-בטמפרטורה גבוהה, אך צפיפות אנרגיה נמוכה (100-150Wh/kg) וחיי מחזור קצרים (300-500 מחזורים), משמשים בעיקר בכלים חשמליים וכלי רכב חשמליים במהירות נמוכה.

3. לפי צורה: התאמה לחללי ציוד שונים

סוללות גליליות: כגון 18650 (קוטר 18 מ"מ, 65 מ"מ גובה) ו-21700 (קוטר 21 מ"מ, 70 מ"מ גובה), עם מבנה יציב ויעילות ייצור המוני גבוהה, בשימוש בעיקר במחשבים ניידים ובכלי רכב חשמליים (למשל, הדגמים המוקדמים של טסלה השתמשו ב-18650, ומאוחר יותר עברו ל-21700).

סוללות מנסרות: כגון סוללות לטלפונים ניידים (3-5 מ"מ בעובי, 40-60 מ"מ ברוחב) וסוללות חשמליות לרכב חשמלי (10-20 מ"מ בעובי, 100-200 מ"מ ברוחב), עם קצב ניצול שטח גבוה וניתן להתאים אותן לפי גודל הציוד, שהוא הצורה המרכזית של כלי רכב חשמליים כיום.

פאוץ' סוללות: מכוסים בסרט פלסטיק מרוכב-אלומיניום, הם יכולים להיות דקים במיוחד (0.5-2 מ"מ בעובי) וגמישים, בעיקר בשימוש בטלפונים ניידים דקים, מכשירים לבישים (כגון שעונים חכמים) וטלפונים ניידים מתקפלים.

4. לפי מצב אלקטרוליט: נוזל מול פולימר

סוללות ליתיום יון (LIB): שימוש באלקטרוליטים נוזליים, בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה ובעלות נמוכה, אך קיים סיכון לדליפה. רוב הסוללות הקשות הגליליות והמנסרות- שייכות לקטגוריה זו.

סוללות ליתיום פולימר (PLB): שימוש בג'ל או באלקטרוליטים מוצקים, ללא סכנת דליפה וניתן לעיוות גמיש. רוב סוללות הפאוץ' שייכות לקטגוריה זו, המשמשות בעיקר מוצרי אלקטרוניקה.

5. לפי יישום: סוללות רגילות לעומת סוללות כוח

סוללות רגילות: משמש במוצרי אלקטרוניקה כגון טלפונים ניידים ומחשבים ניידים, עם קיבולת קטנה (1000mAh-10Ah) וקצב פריקה נמוך (0.5-2C), הדורש צפיפות אנרגיה גבוהה.

סוללות כוח: משמש בכלי רכב חשמליים ומזל"טים, בעלי קיבולת גדולה (50Ah-500Ah) וקצב פריקה גבוה (5-30C), צורך לעמוד בפריקת זרם גדולה (למשל, כאשר המכונית מאיצה), הדורשים בטיחות וחיי מחזור גבוהים יותר.

IV. טרמינולוגיה חיונית של סוללות ליתיום: הבחנה בין מושגים מקיבולת ל-SOC

בעת רכישה או שימוש בסוללות ליתיום, לעתים קרובות תיתקלו במונחים כגון "קיבולת", "שיעור C-ו"SOC. הבנת המושגים הללו יכולה לעזור לך לשפוט במדויק את ביצועי הסוללה ולהימנע מהטעיית "פרמטרים מסומנים בצורה שגויה".

1. קיבולת: כמה חשמל יכול סוללה לאחסן?

הַגדָרָה: כמות החשמל שסוללה יכולה לשחרר בתנאי פריקה מסוימים, מחושבת לפי הנוסחה Q=I×t (I הוא זרם, t הוא זמן), עם יחידות של Ah (אמפר-שעה) או mAh (מיליאמפר-שעה).

הסבר פשוט: 1Ah פירושו שהסוללה יכולה להתרוקן בזרם 1A למשך שעה, ו-1mAh פירושו שהיא יכולה לפרוק בזרם 1mA למשך שעה. לדוגמה, סוללת טלפון נייד עם 1900mAh פירושה שהיא יכולה לפרוק בזרם של 190mA למשך 10 שעות.

תרחישים נפוצים: סוללות טלפון נייד: 800-1900mAh; אופניים חשמליים: 10-20Ah; רכבים חשמליים: 20-200Ah; סוללות אחסון אנרגיה: 100-1000Ah.

2. קצב טעינה/פריקה (C-קצב): כמה מהיר הטעינה/הפריקה?

הַגדָרָה: זרם הטעינה/פריקה מבוטא ככפולה של הקיבולת הנומינלית של הסוללה. 1C הוא הזרם ל"טעינה/פריקה מלאה תוך שעה אחת".

שיטת חישוב: אם קיבולת הסוללה היא 1500mAh, 1C=1500mA, 2C=3000mA (פרוקה מלאה תוך 0.5 שעות), 0.1C=150mA (פרוקה מלאה תוך 10 שעות).

הערות: ככל שקצב הפריקה גבוה יותר, הקיבולת האמיתית של הסוללה נמוכה יותר (למשל, הקיבולת בפריקה של 2C עשויה להיות רק 80% מזו שבפריקה של 1C), ויצירת החום חמורה יותר. לכן, סוללות חשמל צריכות להיות בעלות יכולת פריקה- גבוהה (למשל, כלי רכב חשמליים דורשים יותר מ-5C).

3. מתח (OCV): "פלטפורמת המתח" של הסוללות

מתח נומינלי: המתח הנקוב של הסוללה. סוללות ליתיום רגילות הן 3.2-3.7V (תחמוצת קובלט ליתיום: 3.7V; ליתיום ברזל פוספט: 3.2V), המהווה אינדיקטור חשוב לביצועי הסוללה.

מתח מעגל פתוח (OCV): המתח של הסוללה כאשר אין עומס מחובר, אשר ניתן להשתמש בו כדי לשפוט את מצב הסוללה (למשל, ה-OCV של סוללת ליתיום קובלט אוקסיד טעונה במלואה הוא כ-4.2V, וכ-3.0V כאשר אין לה חשמל).

פלטפורמת מתח: טווח יציב המתח במהלך טעינה ופריקה של הסוללה (בדרך כלל 20%-80% מהקיבולת), כאשר המתח משתנה מעט. לדוגמה, פלטפורמת המתח של סוללות ליתיום קובלט אוקסיד היא 3.6-3.9V, שהוא גם טווח מתח העבודה הרגיל של הציוד.

4. אנרגיה וכוח: כמה זמן אפשר להשתמש בו? כמה כוח הוא יכול להפיק?

אֵנֶרְגִיָה: סך האנרגיה החשמלית שהסוללה יכולה לאחסן, מחושב לפי הנוסחה E=U×Q (U הוא מתח, Q הוא קיבולת), עם יחידות של Wh (וואט-שעה) או קילוואט (קילווואט-שעה, 1kWh=1 דרגת חשמל). לדוגמה, לסוללת טלפון נייד עם 1900mAh ו-3.7V יש אנרגיה של 3.7V×1.9Ah=7.03Wh.

כּוֹחַ: האנרגיה שהסוללה יכולה להפיק ליחידת זמן, מחושבת לפי הנוסחה P=U×I, עם יחידות של W (וואט). הכוח קובע את "כוח ההתפרצות" של הציוד. לדוגמה, כלי רכב חשמליים זקוקים לסוללות- בהספק גבוה בעת האצה, בעוד שטלפונים ניידים זקוקים רק לסוללות- בהספק נמוך.

5. חיי מחזור: כמה פעמים ניתן לטעון ולפרוק סוללה?

הַגדָרָה: טעינה ופריקה אחת של הסוללה היא מחזור אחד. כאשר הקיבולת יורדת ל-60%-70% מהיכולת ההתחלתית, זה נחשב כסוף החיים.

מבחן סטנדרטי: תקן חברת החשמל קובע שסוללות ליתיום לטלפונים ניידים שנפרקו ל-3.0V ב-0.2C וטעונות ל-4.2V ב-1C צריכות להיות בעלות קיבולת של יותר מ-60% או שווה ל-60% לאחר 500 מחזורים; התקן הלאומי קובע כי הקיבולת צריכה להיות גדולה או שווה ל-70% לאחר 300 מחזורים.

הצעה לשימוש: הימנע מטעינה ופריקה עמוקה (למשל, אל תטען ל-100% או פריקה ל-0% בכל פעם), מה שיכול להאריך את חיי המחזור. לדוגמה, שמירה על סוללת הטלפון הנייד ב-20%-80% מהספק יכולה להאריך את החיים ליותר מ-1000 מחזורים.

6. עומק פריקה (DOD) ומצב טעינה (SOC): כמה כוח נשאר בסוללה?

DOD: האחוז של קיבולת הפריקה לקיבולת המדורגת. לדוגמה, אם קיבולת הפריקה היא 500mAh והקיבולת המדורגת היא 1000mAh, DOD=50%. ככל שה-DOD עמוק יותר, חיי הסוללה קצרים יותר.

SOC: אחוז הקיבולת שנותרה לקיבולת המדורגת. 0% פירושו שאין חשמל, ו-100% פירושו טעון מלא. BMS שופט את הכוח הנותר של הסוללה באמצעות SOC, ותצוגת הכוח של הטלפון הנייד מחושבת על סמך SOC.

7. ניתוק-מתח: "הקו האדום" של טעינה/פריקה

חיתוך טעינה-מתח: המתח שבו לא ניתן לטעון את הסוללה נוספת. עבור סוללות ליתיום קובלט אוקסיד, זה 4.2V; עבור סוללות ליתיום ברזל פוספט, זה 3.65V. חריגה ממתח זה תגרום לנזק לתאי הסוללה ולבריחה תרמית.

פריקה ניתוק-מתח: המתח שבו לא ניתן לפרוק את הסוללה עוד יותר. עבור סוללות ליתיום קובלט אוקסיד, זה 3.0V; עבור סוללות ליתיום ברזל פוספט, זה 2.5V. מתחת למתח זה יגרום נזק בלתי הפיך לאנודה, ולא ניתן לשחזר את הקיבולת.

8. התנגדות פנימית: ה"אובדן הבלתי נראה" של סוללות

הַגדָרָה: ההתנגדות בתוך הסוללה המעכבת את זרימת הזרם, עם יחידות של mΩ (מיליוהם), המחולקת להתנגדות פנימית אומה (הנגרמת מחומרים ומבנה) והתנגדות פנימית לקיטוב (הנגרמת מתגובות אלקטרוכימיות).

פְּגִיעָה: ככל שההתנגדות הפנימית קטנה יותר, כך יעילות הטעינה והפריקה של הסוללה גבוהה יותר ויצירת חום קטנה יותר. לדוגמה, ההתנגדות הפנימית של סוללות חשמל צריכה להיות נשלטת מתחת ל-50mΩ, אחרת, יצירת חום חמורה תתרחש במהלך פריקת זרם גבוה-.

V. כללי שמות של סוללות ליתיום: הבנת מידות מדגמים

שמות סוללות הליתיום משתנה בין יצרנים שונים, אך סוללות כלליות עוקבות אחר תקן IEC61960. ניתן לשפוט את סוג וגודל הסוללה באמצעות הדגם כדי להימנע מקניית הדגם הלא נכון.

1. סוללות גליליות: 3 אותיות + 5 מספרים

משמעות האותיות: האות הראשונה מציינת את חומר האנודה (I=בנוי- ביון ליתיום, L=מתכת ליתיום); האות השנייה מציינת את חומר הקתודה (C=קובלט, N=ניקל, M=מנגן, V=ונדיום); האות השלישית=R (גלילית).

משמעות מספר: 2 המספרים הראשונים=קוטר (מ"מ), 3 המספרים האחרונים=גובה (מ"מ).

דוגמאות: ICR18650 - I (אנודת ליתיום יון), C (קתודה של תחמוצת ליתיום קובלט), R (גלילית), קוטר 18 מ"מ, גובה של 65 מ"מ, הסוללה הנפוצה ביותר עבור מחשבים ניידים וכלי רכב חשמליים; ב

2. סוללות מנסרות: 3 אותיות + 6 מספרים

משמעות האותיות: שתי האותיות הראשונות זהות לאלו של סוללות גליליות, האות השלישית=P (פריזמטית).

משמעות מספר: 2 המספרים הראשונים=עובי (מ"מ), 2 המספרים האמצעיים=רוחב (מ"מ), 2 המספרים האחרונים=גובה (מ"מ).

דוגמאות: ICP053353 - I (אנודת ליתיום יון), C (קתודה של תחמוצת ליתיום קובלט), P (פריזמטית), עובי של 5 מ"מ, רוחב 33 מ"מ, גובה של 53 מ"מ, סוללת טלפון נייד טיפוסית; IFP101520 - I (אנודת ליתיום יון), F (קתודה מבוססת-ברזל, פוספט ליתיום ברזל), P (פריזמטי), עובי 10 מ"מ, רוחב 15 מ"מ, גובה 20 מ"מ, משמש בשעונים חכמים.

VI. תהליך הייצור כולו של סוללות ליתיום: חתירה למצוינות בכל שלב מחומרים ועד תאים

ייצור סוללות ליתיום הוא תהליך מורכב ואוטומטי ביותר, הכולל שלושה קישורים עיקריים: תהליכים קדמיים-קצה, אמצעי-וגב-קצה. בקרת הדיוק של כל חוליה משפיעה ישירות על ביצועי הסוללה ובטיחותם, המכונה "שילוב של תעשייה כימית משובחת וייצור מדויק".

1. תהליך קצה-קדמי: ייצור יריעות אלקטרודות (מפתח לקביעת קיבולת הסוללה)

ערבוב סלורי: מערבבים חומרים פעילים קתודית (למשל, LiCoO₂), חומרים מוליכים (פחמן שחור), קלסרים (PVDF) וממיסים (NMP) במערבל ואקום כדי ליצור תמיסה אחידה; אותו הדבר חל על האנודה, עם גרפיט כחומר הפעיל, CMC/SBR כמקשר ומים כממס. דרישת הליבה: התרחיץ צריך להיות אחיד ללא חלקיקים, אחרת, זה יוביל לקיבולת לא אחידה.

שִׁכבָה: מצפים באופן אחיד את תרחית הקתודה/אנודה על קולט הזרם (רדיד אלומיניום עבור הקתודה, רדיד נחושת עבור האנודה), בקרה על עובי הציפוי (±1μm) וצפיפות השטח (משקל החומר הפעיל ליחידת שטח). דרישת הליבה: הציפוי צריך להיות אחיד, אחרת הוא יגרום לחימום מקומי ולהפחתת הקיבולת של הסוללה.

יִבּוּשׁ: לאדות את הממס (NMP או מים) בתנור, כשהטמפרטורה נשלטת על 80-120 מעלות. מהירות הרוח וקצב הרוח צריכים להיות מדויקים כדי למנוע סדקים והתעקלות של הציפוי.

לוח שנה: לחיצה קרה- על דפי האלקטרודה המיובשים בעזרת לוח שנה מדויק כדי להגדיל את צפיפות הציפוי (להפחית את הנקבוביות), לשפר את צפיפות האנרגיה ולהבטיח עובי אחיד (±0.5 מיקרומטר).

חיתוך: חותכים לאורך את יריעות האלקטרודות הרחבות לרצועות צרות ברוחב הדרוש, תוך הימנעות מכתמים (קוצצים יגרמו לקצר חשמלי).

ריתוך כרטיסיות: לרתך לשוניות מתכת (לשוניות אלומיניום לקתודה, לשוניות ניקל לאנודה) במיקומים מוגדרים על יריעות האלקטרודה כנקודות מיצוי זרם. איכות הריתוך חייבת להבטיח שאין חיבורי הלחמה קרים או ריתוך כוזב.

2. תהליך קצה-אמצעי: הרכבת תאים (מפתח לקביעת בטיחות הסוללה)

סלילה/ערימה: עורמים את הקתודה, המפריד והאנודה בסדר "מפריד - האנודה - מפריד - קתודה", ועורמים אותם לתאים גליליים/פריזמטיים עם מכונת פיתול (סוג פצע), או ערמים אותם לתאים מנסרים עם מכונת הערמה (סוג ערימה). לסוג המוערם יש שיעור ניצול שטח גבוה יותר והתנגדות פנימית נמוכה יותר אך יעילות נמוכה; לסוג הפצע יש יעילות גבוהה והוא מתאים לייצור המוני.

מעטפת/אנקפסולציה: הכנס תאי מעטפת קשיחים גליליים/פריזמטיים- לתוך קונכיות מתכת (קליפות פלדה/אלומיניום); הכניסו תאי כיס לתוך קליפות אלומיניום-מרוכבות מפלסטיק.

אֲפִיָה: הכניסו את התאים המובלעים לתנור ואקום ואפו ב-80-120 מעלות למשך 4-8 שעות כדי להסיר לחלוטין את הלחות מהתאים (תכולת הלחות צריכה להיות נשלטת מתחת ל-50ppm), אחרת, הוא יגיב עם האלקטרוליט כדי ליצור גזים מזיקים.

הזרקת אלקטרוליטים: הזרקו כמות מדודה מדויקת של אלקטרוליט לתוך התאים בחדר יבש עם נקודת טל מתחת ל-40 מעלות. האלקטרוליט חייב לחדור במלואו ליריעות האלקטרודות והמפרידים. יש לשלוט על השגיאה של כמות ההזרקה בתוך ±0.1g, אחרת, זה ישפיע על קיבולת הסוללה.

אִטוּם: חום ואקום-אוטם את יציאת הזרקת האלקטרוליטים של תאי הפאוץ'; לאטום את חור הזרקת האלקטרוליטים של תאי מעטפת קשיחים- בעזרת כדורי פלדה (גליליים) או מסמרים אטומים (פריזמטיים), ולהבטיח אטימות לאוויר על ידי ריתוך בלייזר (דליפת אוויר תגרום לנידוף אלקטרוליטים ולהפחתת קיבולת).

3. סוף תהליך-: גיבוש ובדיקה (הקרנה של מוצרים מוסמכים)

מַעֲרָך: טען את התאים בפעם הראשונה כדי ליצור סרט יציב של ממשק אלקטרוליט מוצק (SEI) על משטח האנודה, המאפשר ליוני ליתיום לעבור דרכו אך חוסם אלקטרונים, שהוא המפתח לחיי מחזור הסוללה ולבטיחותם. זרם הטעינה קטן (0.1-0.2C) והזמן ארוך (8-12 שעות).

הְזדַקְנוּת: הניחו לתאים שנוצרו לעמוד בטמפרטורת החדר או בטמפרטורה גבוהה (45 מעלות ) למשך 3-7 ימים כדי לייצב את סרט ה-SEI, ולסנן תאים פגומים עם פריקה עצמית מוגזמת (למשל, תאים עם מפל מתח העולה על 50mV).

דירוג קיבולת: בצע בדיקות טעינה- סטנדרטיות על התאים הישנים (טעינה עד למתח הגבול העליון, פריקה למתח הגבול התחתון), מדוד את הקיבולת בפועל ודרוג בהתאם לקיבולת (לדוגמה, דרגה A: 4950-5050mAh, דרגה B: 4850-4950mAh) כדי להבטיח אותה קיבולת עקבית של תאים.

מִיוּן: סווגו את התאים לפי פרמטרים כמו קיבולת, מתח מעגל פתוח והתנגדות פנימית, וביטול מוצרים פגומים (למשל, תאים עם התנגדות פנימית מוגזמת וקיבולת לא מספקת).

בדיקת מראה וביצועים: בדקו את מראה התאים (ללא שריטות, דליפה או עיוותים), ערכו התנגדות בידוד, התנגדות פנימית AC וקצר חשמלי כדי לוודא שביצועי הבטיחות עומדים בתקנים.

VII. מגמות בתעשייה ושיטות עבודה ארגוניות: איפה העתיד של סוללות ליתיום?

עם ההתפתחות המהירה של תעשיית האנרגיה החדשה, טכנולוגיית סוללות הליתיום ממשיכה לפרוץ דרך, וקמו מספר ארגונים המתמקדים בתחומים מפולחים, המקדמים את הרחבת סוללות הליתיום מתחום "האלקטרוניקה הצרכנית" לתחומי "התעשייה והאנרגיה".

1. מגמות טכנולוגיות: מנוזל למוצק, מקיבולת גבוהה לבטיחות גבוהה

סוללות-מצב מוצק: החלף אלקטרוליטים נוזליים ומפרידים באלקטרוליטים מוצקים, תוך שיפור ניכר בבטיחות (ללא דליפה או סיכון לברוח תרמית), עם צפיפות אנרגיה של עד 400-600Wh/kg (פי שניים מזו של סוללות ליתיום קיימות), שיכולות לתמוך בכלי רכב חשמליים עם טווח שיוט של יותר מ-1000 ק"מ. נכון לעכשיו, סוללות חצי-מוצקות (עם תכולת אלקטרוליטים של 5%-10%) נכנסו לשלב הייצור ההמוני (למשל, גרסת סוללה מוצקה למחצה-NIO ET7), וכל-סוללות המצב המוצק צפויות להיות בייצור המוני בסביבות 2030.

טכנולוגיית טעינה מהירה: השג "80% טעינה תוך 10 דקות" באמצעות אופטימיזציה של חומרים (כגון אנודות מבוססות סיליקון,-אלקטרוליטים טעינה מהירה) ועיצוב מבני. לדוגמה, סוללת הטעינה העל -S4 המצוידת ב-Xpeng G9 יכולה להטעין 400 ק"מ תוך 10 דקות.

הפחתת עלויות: באמצעות ייצור-בקנה מידה גדול (קיבולת הייצור העולמית של סוללת ליתיום עלתה על 2TWH), חדשנות חומרית (כגון ליתיום מנגן ברזל פוספט המחליף ליתיום טריני), ואופטימיזציה של תהליכים (כגון טכנולוגיית CTP/CTC, הפחתת רכיבי מודול), עלות הסוללה ירדה מ-5 CNY/Wh ל-5 CNY/Wh ב- 2015 ל-CNY ו-205. צפוי לרדת עוד יותר ל-1 CNY/Wh בעתיד.

2. תרגול ארגוני: Zhongchuang Feiyue - התמקדות ב"מהפכת החלפת סוללות" של שני-רכבים חשמליים

בתחום הרכבים החשמליים הדו-גלגליים-, היישום של סוללות ליתיום משתדרג מ"טעינה" ל"החלפת סוללה". Zhongchuang Feiyue (המזוהה עם Zhongchuang New Energy Technology Group) היא מפעל מייצג של מגמה זו. שיטות הליבה שלה כוללות:

תרחיש-פתרונות מבוססי: מספקים סוללות ליתיום-בעלות בטיחות-תגבוהות וארוכות-ת עבור תרחישים כגון אופניים חשמליים משותפים, משלוח מיידי (איסוף עצמי, משלוח מהיר) ונסיעות אישיות. לדוגמה, לסוללה של רכבי משלוח יש חיי מחזור של יותר מ-2000 פעמים, ועומדת בדרישה לטווח שיוט יומי של 100 ק"מ.

דגם חדשני להחלפת סוללה: הציגו את הרעיון של "החלפת סוללה במקום טעינה בטוחה יותר", ופרסו תחנות להחלפת סוללות ביותר מ-100 ערים ברחבי הארץ. משתמשים יכולים להשלים את החלפת הסוללה תוך 30 שניות בלבד, ולפתור את הבעיות של "טעינה איטית וסכנות בטיחותיות בטעינה" של רכבים דו--גלגליים, המשרתים יותר מ-400 מיליון משתמשי נסיעות דו--.

כושר ייצור וגלובליזציה: עם קיבולת ייצור שנתית של מעל 5GWh, המוצרים מיוצאים ליותר מ-10 מדינות, תוך התאמה לתקני המתח ולתנאי האקלים של מדינות שונות (למשל, סוללות בגרסת-טמפרטורות גבוהות לדרום מזרח אסיה, שיכולות לעבוד ביציבות בסביבה של 60 מעלות).

מסקנה: סוללות ליתיום - מנוע הליבה של מהפכת האנרגיה

מטלפונים ניידים ועד כלי רכב חשמליים, מאחסון אנרגיה ועד חסכוני-בגובה נמוך, סוללות ליתיום הפכו למנוע המרכזי שמניע את מהפכת האנרגיה. האבולוציה הטכנולוגית שלהם אינה קשורה רק לשיפור ביצועי הציוד אלא גם למימוש מטרת "הפחמן הכפול" והפיכת מבנה האנרגיה. בעתיד, עם פריצת הדרך של סוללות-מצב מוצק וטכנולוגיית טעינה מהירה, כמו גם הפחתה מתמשכת של עלויות, סוללות ליתיום ישחקו תפקיד בתחומים נוספים (כגון חקר תעופה וחלל-עמוק), ויספקו תמיכה מוצקה לעתיד האנרגיה הירוקה האנושית.

עבור משתמשים רגילים, הבנת העקרונות הבסיסיים ופרמטרי הביצועים של סוללות ליתיום יכולה לעזור לנו להשתמש בסוללות בצורה מדעית יותר (כגון הימנעות מטעינת יתר ופריקת- יתר); עבור העוסקים בתעשייה, הבנת מגמות טכניות וצרכי ​​תרחישים היא המפתח למציאת הזדמנויות ב"מסלול של מאה-מיליארד-רמת סוללות ליתיום. בין אם אתה צרכן או מתרגל, הסיפור של סוללות הליתיום עדיין נמשך.