باتری‌های لیتیومی از چه ساخته شده‌اند؟ اجزای اصلی باتری‌های لیتیومی عبارتند از آند ، کاتد ، الکترولیت و جداکننده.

باتری‌های لیتیومی همچنین دارای یک مدار محافظ برای جلوگیری از شارژ بیش از حد و آسیب به باتری هستند. این اجزا پشت انقلاب بی‌سیم-قابل حمل هستند که خلاصه‌ای از فناوری امروز است. آن‌ها موتور محرک تلفن‌های همراه و جاروبرقی‌های بی‌سیم ما هستند.

داخل ترمینال آند

باتری‌های لیتیومی اولیه از لیتیوم فلزی در آند (ترمینال منفی) تشکیل شده بودند. آنها به وزن سبک و چگالی انرژی بالای لیتیوم متکی بودند. این ویژگی‌ها برای قابل حمل کردن دستگاه‌های الکترونیکی بدون به خطر انداختن عملکردشان حیاتی بودند.

با این حال، سلول‌های لیتیوم فلزی در طول چرخه‌های شارژ، دندریت‌های ناخواسته‌ای روی آند ایجاد می‌کردند. این دندریت‌ها به جداکننده ترمینال نفوذ کرده و باعث اتصال کوتاه باتری می‌شدند.

همچنین، دمای سلول تا نقطه ذوب لیتیوم افزایش می‌یابد و باعث فرار حرارتی می‌شود.

با توجه به این معایب، تحقیقات به سمت باتری‌های لیتیوم-یونی تغییر جهت داد که از آندهای گرافیت کربنی به جای آندهای فلزی لیتیومی استفاده می‌کردند.

گرافیت ساختار بلوری لایه لایه دارد. این لایه‌ها اتم‌های لیتیوم را از طریق لایه‌بندی بین لایه‌ها نگه می‌دارند .

مولکول‌های لیتیوم طی چندین چرخه شارژ، بدون تشکیل دندریت، لایه گرافیت را ترک و دوباره وارد می‌کنند.

به همین ترتیب، گرافیت به عنوان یک فضای ذخیره‌سازی پایدار برای اتم‌های لیتیوم عمل می‌کند.

داخل ترمینال کاتدی

مواد کاتدی از اکسیدهای فلزی مختلفی تشکیل شده‌اند که معمولاً بر اساس ولتاژ طبقه‌بندی می‌شوند. این طبقه‌بندی به این دلیل است که ماده کاتدی مورد استفاده، ولتاژ باتری را نیز تعیین می‌کند.

در صورت وجود اختلاف پتانسیل بالا بین ترمینال‌های آند و کاتد مورد استفاده، سلول ولتاژ بالایی خواهد داشت. از طرف دیگر، اختلاف پتانسیل کمتر بین ترمینال‌ها به معنای ولتاژ نامی کمتر است.

جدول زیر رایج‌ترین مواد کاتدی را بر اساس ولتاژ نامی آنها نشان می‌دهد که بررسی می کنیم:

ولتاژ	ماده کاتدی
۲ ولت	دی سولفید تیتانیوم، دی سولفید مولیبدن
۳ ولت	دی اکسید منگنز، پنتوکسید وانادیوم
۴ ولت	اکسید کبالت لیتیوم، اکسید نیکل لیتیوم، دی اکسید منگنز لیتیوم
۵ ولت	فسفات منگنز لیتیم، فسفات کبالت لیتیم

انرژی موجود در باتری متناسب با ولتاژ عملکرد سلول است. به همین دلیل، ولتاژ کاتد بالاتر مطلوب است. با این حال، ولتاژ بالاتر بر پایداری الکترولیت تأثیر می‌گذارد و باید با دقت در نظر گرفته شود.

اکسید کبالت لیتیوم و فسفات آهن لیتیوم در باتری‌های لیتیوم-یون تجاری محبوب هستند. این محبوبیت به دلیل طول عمر عالی آنها با بیش از ۵۰۰ چرخه شارژ و پایداری آنهاست.

هر دو فلز خواص خاصی دارند که در زیر به آنها می پردازیم:

مزایای اکسید کبالت لیتیوم

• تولید در مقیاس بزرگ آسان است
• طول عمر بالای بیش از ۵۰۰ چرخه شارژ
• در هوا پایدار است

معایب اکسید لیتیوم کبالت

• نسبت به فسفات آهن لیتیوم، سازگاری کمتری با محیط زیست دارد.
• ظرفیت عملی ( 140 میلی‌آمپر ساعت بر گرم ) و ظرفیت نظری (274 میلی‌آمپر ساعت بر گرم) پایینی دارد .

مزایای فسفات آهن لیتیم

• مقرون به صرفه است و تأثیر زیست‌محیطی کمتری نسبت به اکسید کبالت لیتیوم دارد.
• تحمل دمایی عالی ( 20- تا 70 درجه سانتیگراد )

معایب فسفات آهن لیتیوم

• رسانایی یونی و الکترونیکی ضعیف ( ۱۰^−۱۰ سانتی‌متر مربع بر ثانیه و ۱۰^−۸ سانتی‌متر مربع بر ثانیه )
• به راحتی توسط ناخالصی‌ها و نقص‌ها مسدود می‌شود

درون الکترولیت لیتیوم

یک الکترولیت به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد تا بین ترمینال‌ها حرکت کنند در حالی که از حرکت الکترون‌ها جلوگیری می‌کند. این عملکرد حیاتی مستلزم موارد زیر است:

• الکترولیت می‌تواند در هر دو ترمینال و محدوده ولتاژ مربوطه، بدون افت کیفیت، در برابر محیط اکسایش-کاهش مقاومت کند.
• الکترولیت می‌تواند محدوده‌های دمایی قابل قبولی را برای شارژ و دشارژ تحمل کند.

الکترولیت‌های تجاری لیتیوم-یون از نمک‌های لیتیوم در حلال‌های آلی تشکیل شده‌اند. نمک‌های لیتیوم حرکت یونی را تسهیل می‌کنند در حالی که حلال‌ها پایداری الکترولیت و تشکیل یک فاز میانی الکترولیت جامد (SEI) را افزایش می‌دهند. SEI در طول اولین چرخه‌های شارژ در آند تشکیل می‌شود تا از تجزیه بیشتر الکترولیت جلوگیری کند.

تشکیل SEI برای دوام ضروری است و به همین دلیل است که باتری‌های لیتیوم-یونی مدرن چرخه‌های شارژ بسیار خوبی دارند. در اینجا مثالی آورده شده است:

این باتری با طول عمر طولانی ۲۰۰۰ چرخه شارژ، خواص چرخه‌ای عالی ارائه می‌دهد. این باتری نمایانگر دوام باتری‌های لیتیوم-یونی مدرن است.

وقتی شرکت باتری‌سازی اسکای‌ریچ، باتری SSB PowerSport را طراحی کرد، به دنبال یک باتری سبک با طول عمر عالی بود. این معیارها با توجه به اینکه آنها باتری برای ATV و موتورسیکلت تولید می‌کنند، ضروری بود. بر این اساس، این باتری بیش از ده سال عمر مفید با بیش از ۲۰۰۰ چرخه شارژ ارائه می‌دهد.

داخل جداکننده ترمینال

جداکننده‌ها به عنوان مانعی بین پایانه‌های آند و کاتد عمل می‌کنند و در عین حال تبادل یون‌های لیتیوم را از هر دو طرف امکان‌پذیر می‌سازند.

در حالت شارژ، یون‌های لیتیوم از کاتد به آند و در حالت دشارژ برعکس حرکت می‌کنند. الکترولیت، جداکننده را مرطوب می‌کند تا کاتالیزوری برای این حرکت یونی تشکیل دهد.

اگرچه یون‌های لیتیوم می‌توانند آزادانه در جداکننده حرکت کنند، اما الکترون‌ها آزاد نیستند زیرا جداکننده رسانایی الکتریکی ندارد. این ویژگی، روشی است که جداکننده‌ها، پایانه‌های آند و کاتد را از یکدیگر جدا می‌کنند.

باتری‌های لیتیوم-یون تجاری به دلیل پایداری الکتروشیمیایی عالی در ۴.۲ ولت یا بالاتر و مقرون به صرفه بودن، از پلی‌الفین به عنوان جداکننده استفاده می‌کنند.

علاوه بر این، پلی‌اولفین دارای اندازه منافذ یکنواختی است که بهینه است زیرا جداکننده‌های یون لیتیوم باید اندازه منافذی بین 30 تا 100 نانومتر داشته باشند.

پیدا کردن باتری لیتیومی

حالا که می‌دانید داخل باتری لیتیومی شما چیست، آیا برای پروژه برق بعدی خود آماده هستید؟

شاید به دنبال یک منبع تغذیه قابل اعتماد برای پروژه روشنایی خود هستید، یا به دنبال باتری‌های جدید برای سیستم دزدگیر و امنیتی خود هستید.

در متخصصان باتری HBPlus ، ما خدماتی را برای تمام نیازهای باتری ارائه می‌دهیم. خدمات ما شامل طراحی، تولید و توزیع طیف گسترده‌ای از باتری‌ها می‌شود.

باتری‌های لیتیومی از چه ساخته شده‌اند؟

باتری‌های لیتیومی در دنیای امروز به هر دستگاهی نیرو می‌دهند، اما آیا تا به حال سعی کرده‌اید بدانید که باتری‌های لیتیومی چگونه ساخته می‌شوند؟ دانستن مواد اولیه مورد استفاده و فرآیند ساخت باتری‌های لیتیومی می‌تواند به شما در درک بهتر مکانیسم کار باتری لیتیومی کمک کند. این مقاله به بررسی نحوه ساخت باتری‌های لیتیومی، از مواد اولیه گرفته تا فرآیندهای تولید و مونتاژ، خواهد پرداخت.

فرآیند ساخت باتری به مراحل مختلفی تقسیم می‌شود تا نحوه ساخت باتری‌های لیتیومی بهتر درک شود. یک باتری لیتیومی تا زمان آزمایش نهایی از خطوط مونتاژ مختلفی عبور می‌کند. در اینجا چند مرحله مهم در ساخت باتری‌های لیتیومی آورده شده است.

مرحله 1. ساخت الکترود

این فرآیند شامل مخلوط کردن مواد الکترود با یک چسب رسانا برای ایجاد یک دوغاب یکنواخت با حلال است. آند کربن و کاتد اکسید فلزی لیتیوم است. سپس دوغاب با استفاده از یک ابزار کاربردی مانند قالب شیاردار، تیغه دکتر یا غلتک آنیلوکس، در دو طرف جمع کننده جریان پوشش داده می‌شود. ضخامت پوشش الکترود را می‌توان در دستگاه پوشش‌دهی کنترل کرد. این فرآیند شامل میکسرهای خلاء و دستگاه‌های پوشش‌دهی است.

مرحله 2. خشک کردن و برش

در این مرحله، تولیدکننده فویل پوشش داده شده را با استفاده از اجاق‌های بزرگ خشک می‌کند تا حلال‌ها تبخیر شوند. پس از خشک شدن، ورق‌های الکترود بر اساس شکل و اندازه دقیق آنها برش داده می‌شوند. آنها از دستگاه‌های برش برای برش دقیق الکترود استفاده می‌کنند.

مرحله 3. چیدن و پر کردن

مرحله بعدی، چیدن هر جزء باتری در محفظه باتری است. این محفظه می‌تواند به هر شکلی باشد، از جمله استوانه‌ای، منشوری، دکمه‌ای یا شکل‌های دیگر. آنها جداکننده‌هایی را بین الکترودهای مثبت و منفی قرار می‌دهند. این کار به ایجاد یک مانع ایمنی بین قطعات مثبت و منفی باتری کمک می‌کند. پس از آن، الکترولیت‌ها را درون باتری پر می‌کنند تا یون لیتیوم در طول فرآیند شارژ و دشارژ به راحتی از کاتد به آند حرکت کند.

مرحله 4. آب بندی و شکل گیری

دانستن نحوه ساخت باتری‌های لیتیومی مهم است، زیرا آب‌بندی باتری با استفاده از درزگیرهای حرارتی یا دستگاه‌های جوش لیزری انجام می‌شود. آب‌بندی باتری اجازه نشت الکترولیت‌ها را نمی‌دهد. پس از اینکه باتری فرآیند آب‌بندی را پشت سر گذاشت، وارد فرآیند تشکیل می‌شود. باتری مراحل اولیه شارژ و دشارژ را طی می‌کند تا یک فاز میانی الکترولیت جامد (SEI) پایدار تشکیل و ایجاد شود. این فرآیند با اطمینان از عملکرد صحیح باتری، آن را فعال می‌کند.

مرحله ۵. آزمایش نهایی

در مرحله آخر، باتری تحت یک فرآیند آزمایش دقیق قرار می‌گیرد. سازنده، ظرفیت باتری، سرعت شارژ، میزان دشارژ، دمای باتری و تست‌های عملکرد اوج بار را آزمایش می‌کند. از ساخت الکترودها گرفته تا آزمایش نهایی، شما درک کرده‌اید که باتری‌های لیتیومی چگونه به خوبی ساخته می‌شوند.

چه مواد اولیه‌ای برای ساخت باتری‌های لیتیومی مورد نیاز است؟

باتری لیتیومی ترکیبی از چندین ماده به شکلی منحصر به فرد است. هر ماده نقش خود را در ارائه قدرت بالا و طول عمر طولانی ایفا می‌کند. ما تمام مواد را یک به یک مورد بحث قرار خواهیم داد تا نحوه ساخت باتری‌های لیتیومی را بررسی کنیم.

۱. ماده کاتدی

کاتد ، الکترود مثبت باتری است. ماده اولیه برای ساخت کاتد می‌تواند از یک باتری به نوع دیگر باتری متفاوت باشد. برای ساخت کاتد، تولیدکنندگان بسته به نوع باتری از اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2)، فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4) یا اکسید نیکل-منگنز-کبالت (NMC) استفاده می‌کنند. کاتد در هنگام شارژ، هیدروکسید را جذب کرده و در هنگام دشارژ آن را آزاد می‌کند.

۲. جنس آند

آند، بخش منفی باتری است که از گرافیت و در برخی موارد، از مواد سیلیکونی ساخته شده است. آند از طریق واکنش‌های اکسیداتیو، الکترون‌ها را آزاد می‌کند. باتری‌های لیتیوم-یونی معمولاً از گرافیت، یک ماده کربنی (C) استفاده می‌کنند که ساختار لایه‌ای آن به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد در طول شارژ و دشارژ وارد و خارج شوند. علاوه بر این، می‌توانیم از مواد لیتیومی به عنوان آند استفاده کنیم، اما این کار چالش‌هایی دارد. همچنین هزینه آن از گرافیت که ارزان و به راحتی در دسترس است، بیشتر است.

۳. ماده جداکننده

جداکننده عنصر مهمی در باتری است که به عنوان یک مانع ایمنی بین قسمت‌های مثبت و منفی عمل می‌کند. تولیدکنندگان از مواد مبتنی بر پلی‌الفین مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و PVC استفاده می‌کنند. آنها همچنین از مخلوط‌های پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن خود که بسیار محبوب هستند، استفاده می‌کنند.

۴. ماده الکترولیت

الکترولیت‌ها به عنوان واسطه‌ای برای جریان روان یون‌های لیتیوم از کاتد به آند و از آند به کاتد عمل می‌کنند. هدف الکترولیت‌ها ایجاد مقاومت کمتر است تا باتری بتواند برای مدت طولانی‌تری کار کند. در این روش از نمک لیتیوم حل شده در یک حلال آلی استفاده می‌شود که هزینه زیادی ندارد.

چگونه سلول‌های لیتیومی بسازیم؟

با این حال، فرآیند تولید سلول لیتیومی به شرح زیر است.

1. مواد الکترود را با چسب‌های رسانا مخلوط کنید تا دوغابی یکنواخت ایجاد شود.
2. دوغاب را با استفاده از ابزارهایی مانند قالب شیاردار، تیغه دکتر بلید یا غلتک آنیلوکس، روی جمع‌کننده فعلی بپوشانید.
3. کوره‌های بزرگ، فویل روکش‌دار را خشک می‌کنند تا حلال‌ها تبخیر شوند.
4. ورق‌های الکترود را با توجه به شکل و اندازه دقیق برش دهید.
5. هر جزء باتری در محفظه باتری قرار گرفته است.
6. بین الکترودهای مثبت و منفی یک جداکننده قرار دهید.
7. دستگاه‌ها الکترولیت‌ها را به داخل باتری تزریق می‌کنند تا حرکت یون لیتیوم آسان شود.
8. باتری را با استفاده از درزگیرهای حرارتی یا دستگاه‌های جوش لیزری آب‌بندی کنید.
9. آزمایش نهایی باتری برای تأیید معیارهای مختلف.

چگونه بسته‌های باتری لیتیومی را مونتاژ کنیم؟

اکنون، پس از ساخت سلول‌های کوچک لیتیومی، زمان مونتاژ بسته‌های باتری لیتیومی فرا رسیده است. سلول‌های کوچک به صورت سری تشکیل می‌شوند تا ولتاژ و ظرفیت کل باتری را افزایش دهند. این یک روش مفید برای ساخت باتری‌های لیتیومی بزرگتر با ظرفیت‌های بالاتر است. بیایید هر مرحله از نحوه ساخت باتری‌های لیتیومی را بررسی کنیم.

انتخاب سلول

انتخاب سلول برای انتخاب سلول باتری لیتیومی بسیار مهم است. هر سلول لیتیومی باید ظرفیت، ساختار شیمیایی و ولتاژ یکسانی داشته باشد، زیرا می‌تواند شامل سلول‌های لیتیوم-یون (Li-ion)، لیتیوم پلیمر (LiPo)، لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) و نیکل-فلز هیدرید (NiMH) باشد. بنابراین، استفاده از یک مولتی‌متر برای هر سلول و خواندن نام تجاری و توضیحات آن بسیار مهم است. علاوه بر این، هنگام انتخاب سلول‌های لیتیومی، محاسبه ولتاژ و ظرفیت کل باتری ضروری است.

پیکربندی

دو راه برای اتصال سلول‌ها وجود دارد. یا به صورت سری (هر سلول مثبت به منفی سلول دیگر) یا موازی (هر سلول مثبت با مثبت و هر سلول منفی با منفی). اتصال سری، ولتاژ کلی باتری و همچنین ظرفیت آن را افزایش می‌دهد. از سوی دیگر، اتصال موازی فقط ظرفیت باتری را افزایش می‌دهد.

سلول‌های لیتیومی جوشکاری

اکنون می‌توانیم تمام سلول‌ها را از طریق جوش نقطه‌ای به هم متصل کنیم. با این حال، اگر جوش نقطه‌ای در دسترس نباشد، لحیم‌کاری یک روش جایگزین است. با این حال، این روش گرما تولید می‌کند و هنگام لحیم‌کاری سلول‌ها نیاز به اقدامات احتیاطی لازم دارد.

عایق کاری و نصب سیستم مدیریت ساختمان (BMS)

آخرین مرحله، عایق‌بندی باتری در یک قاب باتری محکم و یک سیستم مدیریت باتری (BMS) است که چندین عملکرد مهم را انجام می‌دهد. این سیستم از باتری در برابر تخلیه عمیق و شارژ بیش از حد محافظت می‌کند و سلول‌های لیتیومی را متعادل می‌سازد.

سوالات متداول

عمر مفید باتری‌های لیتیوم-یونی چقدر است؟

باتری‌های لیتیوم-یونی بین ۲ تا ۳ سال دوام می‌آورند که معادل ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه شارژ است.

کاربردهای باتری‌های لیتیوم-یون چیست؟

باتری‌های لیتیوم-یون کاربردهای متنوعی دارند، از لوازم الکترونیکی مصرفی گرفته تا سیستم‌های ذخیره انرژی و خودروهای برقی.

آیا باتری‌های لیتیوم-یونی در سرما کار می‌کنند؟

باتری‌های لیتیوم-یون برای عملکرد به واکنش‌های شیمیایی متکی هستند. در نتیجه، دمای پایین می‌تواند این واکنش‌ها را مهار کند.

آیا باتری‌های لیتیومی به تهویه نیاز دارند؟

بله، آنها این کار را می‌کنند.

اگرچه باتری‌های لیتیومی مانند باتری‌های سرب-اسیدی گاز تولید نمی‌کنند، اما برای جلوگیری از تجمع گرما و هدر رفتن گرما به تهویه نیاز دارند.

سوالات متداول 2

• آیا باتری‌های لیتیوم-یونی می‌توانند منفجر شوند؟
  باتری لیتیومی به ندرت منفجر می‌شود. در صورت آسیب دیدن، استفاده نادرست یا ساخته شدن با مواد بی‌کیفیت، می‌تواند بیش از حد گرم شده و منفجر شود. اقدامات ایمنی انجام شده در طول مونتاژ (مانند جوشکاری نقطه‌ای و استفاده از سیستم مدیریت باتری) برای جلوگیری از انفجار یا خرابی باتری بسیار مهم است.
• باتری‌های لیتیوم-یونی چقدر دوام می‌آورند؟
  طول عمر یک باتری لیتیومی می‌تواند به عوامل مختلفی مانند نوع و کیفیت باتری، نحوه استفاده، دما و نگهداری بستگی داشته باشد. با این حال، یک باتری LiFePO4 حدود ۲۰۰۰ چرخه عمر دارد.
• باتری‌های لیتیومی چگونه ساخته می‌شوند؟
  ساخت باتری‌های لیتیومی شامل چندین مرحله است. این کار به متخصصان و ماشین‌آلاتی نیاز دارد که وظایف مختلفی را انجام دهند. این شامل مراحل ایجاد الکترود، پوشش، فرآیند رنگ‌آمیزی و برش، آب‌بندی، شکل‌دهی و آزمایش می‌شود.
• چگونه می‌توانم با باتری‌های لیتیوم-یونی به ولتاژها و ظرفیت‌های مختلف دست یابم؟
  یک سلول لیتیومی به طور معمول ۳.۷ ولت دارد. اگر این سلول‌ها را به صورت سری وصل کنید، ولتاژ و ظرفیت چند برابر می‌شود. با این حال، فرض کنید سلول ۳.۷ ولتی را به صورت موازی وصل کنید. در این صورت، فقط ظرفیت کل باتری افزایش می‌یابد در حالی که ولتاژ در ۳.۷ باقی می‌ماند.
• ماده معدنی اصلی در باتری‌های لیتیومی چیست؟
  باتری لیتیومی از گرافیت به عنوان آند باتری استفاده می‌کند. کاتد می‌تواند از هر یک از چهار ماده معدنی لیتیوم، منگنز، کبالت و نیکل استفاده کند. همه این مواد معدنی گران‌قیمت هستند که باتری‌های لیتیومی را گران می‌کنند.