מבוא לסוללות-ליתיום
עקרון העבודה של סוללות ליתיום-יון
סוללת ליתיום- מורכבת בעיקר מאלקטרודה חיובית, אלקטרודה שלילית, אלקטרוליט המוליך יוני ליתיום ו-מפרידומארז שמפריד בין האלקטרודות החיוביות והשליליות. חומר האלקטרודה החיובית הוא בדרך כלל תרכובת המאפשרת החדרה והפקה הפיכה של יוני ליתיום, כגון תחמוצת ליתיום קובלט (LiCoO₂), תחמוצת ליתיום ניקל (LiNiO₂), תחמוצת ליתיום מנגן (LiMn₂O₄), או חומרים טרינריים. (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). האלקטרוליט מורכב ממלחי ליתיום (מלחי ליתיום נפוצים כוללים LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB וכו') המומסים בממס ספציפי (בעיקר תערובת של אתילן קרבונט (EC), דיאתיל קרבונט (DEC), דימתיל קרבונט (DMC), פרופורציה מסוימת, פרופילן קרבונט וכו'). חומר המפריד הוא בדרך כלל שרף פוליאולפין, בדרך כלל משתמש בממברנות מיקרו-נקביות של פוליפרופילן (PP) ופוליאתילן (PE) חד-שכבתי או רב-שכבתי, כגון מפריד Celgard 2300. האלקטרודה השלילית משתמשת בדרך כלל בחומרים המסוגלים לבצע שילוב ליתיום, כגון קולה נפט, גרפיט טהור ופחמן מעורב של גרפיט שכבות. התגובה בסוללת ליתיום- באמצעות פחמן (C₆) בתור האלקטרודה השלילית ותחמוצת מתכת המעבר LiMeO₂ בתור האלקטרודה החיובית היא כדלקמן.
במהלך הטעינה:
בזמן פריקה:
במהלך הטעינה משתחררים יוני ליתיום מהאלקטרודה החיובית ומוכנסים לאלקטרודה השלילית; במהלך הפריקה משתחררים יוני ליתיום מהאלקטרודה השלילית ומוכנסים לאלקטרודה החיובית. במילים אחרות, במהלך הטעינה והפריקה, יוני ליתיום נעים קדימה ואחורה בין האלקטרודות החיוביות והשליליות, בדומה לכיסא נדנדה. לכן, סוללות ליתיום-יון נקראות גם "סוללות כיסא נדנדה". ניתן להמחיש את עקרון העבודה שלהם באיור 1.1.
בתנאי טעינה ופריקה רגילים, החדרה והפקה של יוני ליתיום בין חומרי פחמן שכבות וחלקיקי תחמוצת או בין שכבות בסוללות ליתיום- גורמות בדרך כלל רק לשינויים במרווח בין השכבות ואינן פוגעות במבנה הגבישי. במהלך טעינה ופריקה, המבנים הכימיים של חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים נשארים ללא שינוי. לכן, מנקודת המבט של הפיכות תגובת הפריקה-, החדרה והפקה של יוני ליתיום בחומרי הסוללה היא תהליך תגובה אידיאלי. בהתבסס על מאפיינים אלה, סוללות ליתיום- עדיפות בביצועים על פני סוללות ניקל-קדמיום וניקל-מתכת הידריד.
סיווג סוללת ליתיום-יון
ניתן לסווג סוללות ליתיום-לפי חומר הקתודה בשימוש, מראה וגודל, שיטת ייצור התא, סוג האריזה ומאפייני היישום.
בהתבסס על החומר הקתודי שבו נעשה שימוש, ניתן לחלק את סוללות הליתיום-יון לסוללות ליתיום קובלט אוקסיד, סוללות ליתיום מנגן אוקסיד, סוללות ליתיום טרינריות וסוללות ליתיום ברזל פוספט.
לסוללות ליתיום קובלט אוקסיד יש מתח נומינלי של 3.7V וטווח מתח פעולה של 2.4~4.2V. לסוללות ליתיום קובלט אוקסיד יש מבנה יציב, קיבולת ספציפית גבוהה וביצועים כלליים יוצאי דופן, אך הבטיחות שלהן ירודה ועלותן גבוהה, בעיקר בשימוש בתאים קטנים ובינוניים-. בשנים האחרונות פותחו חומרי תחמוצת ליתיום קובלט במתח גבוה- שיכולים להגביר את המתח העליון של הסוללה ל-4.3V או 4.35V, ובכך לשפר ביעילות את קיבולת הסוללה וצפיפות האנרגיה. נכון לעכשיו, לסוללות ליתיום קובלט אוקסיד יש את צפיפות האנרגיה הנפחית הגבוהה ביותר, ומגיעות ל-550Wh/kg, מה שהופך אותן לבחירה היחידה להפעלת טלפונים ניידים{11}}מתקדמים ומוצרים אלקטרוניים אחרים.
לסוללות ליתיום מנגן אוקסיד (MMANO) יש מתח נומינלי של 3.8V וטווח מתח פעולה של 2.5V עד 4.2V. מתח הגנת טעינת יתר הוא 4.28V ± 0.025V, ומתח הגנת פריקה מעל- הוא 2.5V ± 0.1V. סוללות MMANO הן בעלות{10}נמוכה ובעלות בטיחות טובה. עם זאת, חומר תחמוצת הליתיום מנגן עצמו אינו יציב יחסית ונוטה להתפרקות, לייצור גזים ונפיחות. חיי המחזור שלו דועכים מהר יחסית, תוחלת החיים שלו קצרה יחסית וביצועי הטמפרטורות הגבוהות- גרועות. הוא משמש בעיקר בתאים-במחיר נמוך, בינוני-עד-גדול- לייצור סוללות מתח.
לסוללות ליתיום-טרנריות (TLC) יש מתח נומינלי של 3.6V וטווח מתח פעולה של 2.75V עד 4.2V. מתח הגנת טעינת יתר הוא 4.28V ± 0.025V, ומתח הגנת פריקה מעל- הוא 2.75V ± 0.1V. לסוללות TLC יש ביצועים כלליים טובים, הן זולות יותר מתחמוצת ליתיום קובלט (LCO), ומציעות בטיחות משופרת. ניתן להשתמש בהם בסוללות חשמל, ונתח השוק שלהם בשוק החומרים הקתודיים גדל משנה לשנה. סוללות ליתיום-קטנות המשתמשות בחומרי ליתיום-טרינריים מתקבלות בהדרגה בשוק. ניתן לשלב חומרים טרנריים גם עם תחמוצת ליתיום קובלט ותחמוצת ליתיום מנגן לשימוש בסוללות פלדה-, מעטפת אלומיניום-, נרתיק, פולימר וסוללות ליתיום- גליליות, מה שיכול להפחית משמעותית את עלויות הסוללה ולשפר את הביצועים הכוללים. נכון לעכשיו, סוללות חומר טרינריות יכולות להשיג צפיפות אנרגיה של 180 וואט/ק"ג (סוללות 26650 פלדה- יכולות להגיע לקיבולת של 4600 מיליאמפר/ק"ג עם משקל של 90 גרם), ומציעות יתרון ברור בעלות-יעילות.
לסוללות ליתיום ברזל פוספט (LFP) יש מתח נומינלי של 3.2V וטווח מתח פעולה של 2.5~3.75V. מתח הגנה מפני טעינת יתר הוא 3.75V±0.025V, ומתח הגנת פריקה-מעל הוא 2.5V±0.1V. היתרון הגדול ביותר של סוללות LFP הוא היציבות ואי-הפירוק של חומר האלקטרודה החיובית, מה שמקנה להן בטיחות שאין שני לה בהשוואה למערכות אחרות של חומרי אלקטרודה חיוביים. לסוללות LFP יש חיי מחזור ארוכים, הן שופעות משאבים והן ידידותיות לסביבה. עם זאת, יש להם פלטפורמת פריקה נמוכה וביצועים גרועים בטמפרטורה-נמוכה.
בהתבסס על מראה וגודל, ניתן לחלק את סוללות ליתיום-יון לסוללות גליליות וסוללות מנסרות וכו'.
בהתבסס על שיטת ייצור התאים, ניתן לחלק את סוללות הליתיום-לסוללות מפותלות (מפותלות גליליות ופציעות שטוחות), סוללות מוערמות וכו'.
בהתבסס על סוג חומרי האריזה, ניתן לחלק סוללות ליתיום-יון לסוללות-פלדה, סוללות-אלומיניום, סוללות-מפלסטיק, סוללות-רכות וכו'.
בהתבסס על מאפייני היישום, ניתן לחלק את סוללות ליתיום-יון לסוללות-בטמפרטורה גבוהה, לסוללות בטמפרטורה-נמוכה, לסוללות מתח וסוללות קיבולת וכו'.
בהתבסס על אזורי היישום שלהן, סוללות ליתיום-ניתן לסווג כ: סוללות גיבוי, סוללות מתח וסוללות אחסון אנרגיה.
יישומים של סוללות ליתיום-יון
ניתן לומר שמאז המצאת הסוללה, אף מוצר סוללה אחר לא היה בשימוש מהיר ורחב כמו סוללת הליתיום-יון. מאספקת הכוח של השעון למעבדי מחשב ועד למארזי סוללות ליתיום- הגדולים המשמשים במכוניות ובצוללות, הפרש הקיבולת הוא יותר מפי 10 מיליון. יש להם יישומים נרחבים בחיי היומיום, ציוד רפואי, כלי רכב חשמליים, תחנות כוח לאחסון אנרגיה, תעופה וחלל וצבא.
לאחר יותר מ-10 שנים של פופולריות, סוללות ליתיום-יון הפכו למערכת החשמל היחידה בשימוש נרחב במוצרים דיגיטליים כגון טלפונים ניידים ומחשבים ניידים. בשל האנרגיה הספציפית הגבוהה שלהם, הם נמצאים בשימוש נרחב גם בכלי חשמל, אופניים חשמליים, אוטובוסים חשמליים, תחנות כוח לאגירת אנרגיית רוח ואנרגיה סולארית, תחנות בסיס תקשורת ניידות, ספקי כוח של מנורות כרייה, ספקי כוח של קפסולות חילוץ כרייה, ספקי כוח חיילים בודדים, מכשירי רדיו, סוללות לוויין ויישומים רבים אחרים. על פי נתונים סטטיסטיים, בשנת 2011, גודל השוק של תעשיית סוללות הליתיום בסין הגיע ל-39.7 מיליארד יואן, גידול של 43%-לאחר-שנה של 43%, והתפוקה השנתית של סוללות ליתיום הגיעה ל-2.97 מיליארד יחידות, עלייה של 28.6% בשנה-לאחר-שנה. תעשיית סוללות הליתיום הפכה לכיוון תעשייתי חשוב של הכלכלה הלאומית²¹.
