סוללת ליתיום כוללת טעינת סוללת ליתיום

סוללת ליתיום היא סוג של סוללה המשתמשת במתכת ליתיום או בסגסוגת ליתיום כחומר האלקטרודה השלילי ומשתמשת בתמיסת אלקטרוליט לא מימית.סוללת הליתיום המוקדמת ביותר שהוצגה הגיעה מהממציא הגדול אדיסון.

סוללות ליתיום - סוללות ליתיום

סוללת ליתיום
סוללת ליתיום היא סוג של סוללה המשתמשת במתכת ליתיום או בסגסוגת ליתיום כחומר האלקטרודה השלילי ומשתמשת בתמיסת אלקטרוליט לא מימית.סוללת הליתיום המוקדמת ביותר שהוצגה הגיעה מהממציא הגדול אדיסון.

מכיוון שהתכונות הכימיות של מתכת ליתיום פעילות מאוד, לעיבוד, לאחסון וליישום של מתכת ליתיום יש דרישות סביבתיות גבוהות מאוד.לכן, סוללות ליתיום לא היו בשימוש במשך זמן רב.

עם התפתחות טכנולוגיית המיקרו-אלקטרוניקה במאה העשרים, מכשירים ממוזערים גדלים מיום ליום, מה שמציב דרישות גבוהות לאספקת חשמל.סוללות ליתיום נכנסו אז לשלב מעשי בקנה מידה גדול.

הוא שימש לראשונה בקוצבי לב.מכיוון שקצב הפריקה העצמית של סוללות ליתיום נמוך במיוחד, מתח הפריקה תלול.היא מאפשרת להשתיל את קוצב הלב בגוף האדם לאורך זמן.

לסוללות ליתיום יש בדרך כלל מתח נומינלי גבוה מ-3.0 וולט והן מתאימות יותר לספקי כוח במעגלים משולבים.סוללות מנגן דו חמצני נמצאות בשימוש נרחב במחשבים, מחשבונים, מצלמות ושעונים.

על מנת לפתח זנים בעלי ביצועים טובים יותר, נחקרו חומרים שונים.ואז להכין מוצרים כמו שלא היה מעולם.לדוגמה, סוללות ליתיום גופרית דו חמצני וסוללות ליתיום תיוניל כלוריד הן מאוד ייחודיות.החומר הפעיל החיובי שלהם הוא גם ממס לאלקטרוליט.מבנה זה קיים רק במערכות אלקטרוכימיות לא מימיות.לכן, חקר סוללות הליתיום קידם גם את פיתוח התיאוריה האלקטרוכימית של מערכות לא מימיות.בנוסף לשימוש בממסים שונים שאינם מימיים, בוצע גם מחקר על סוללות סרט דק פולימרי.

בשנת 1992, סוני פיתחה בהצלחה סוללות ליתיום-יון.היישום המעשי שלו מפחית מאוד את המשקל והנפח של מכשירים אלקטרוניים ניידים כגון טלפונים ניידים ומחשבים ניידים.זמן השימוש מתארך מאוד.מכיוון שסוללות ליתיום-יון אינן מכילות כרום מתכת כבדה, בהשוואה לסוללות ניקל-כרום, הזיהום לסביבה מצטמצם מאוד.

1. סוללת ליתיום-יון
סוללות ליתיום-יון מחולקות כעת לשתי קטגוריות: סוללות ליתיום-יון נוזליות (LIBs) וסוללות ליתיום-יון פולימריות (PLBs).ביניהם, סוללת ליתיום יון נוזלי מתייחסת לסוללה המשנית שבה תרכובת ה-Li+ intercalation היא האלקטרודות החיוביות והשליליות.האלקטרודה החיובית בוחרת בתרכובת ליתיום LiCoO2 או LiMn2O4, והאלקטרודה השלילית בוחרת בתרכובת בין-שכבת ליתיום-פחמן.סוללות ליתיום-יון מהוות כוח מניע אידיאלי לפיתוח במאה ה-21 בגלל מתח הפעולה הגבוה, גודלן הקטן, משקלן הקל, האנרגיה הגבוהה, ללא אפקט זיכרון, ללא זיהום, פריקה עצמית נמוכה וחיי מחזור ארוכים.

2. היסטוריה קצרה של פיתוח סוללת ליתיום-יון
סוללות ליתיום וסוללות ליתיום יון הן סוללות חדשות עתירות אנרגיה שפותחו בהצלחה במאה ה-20.האלקטרודה השלילית של סוללה זו היא ליתיום מתכת, והאלקטרודה החיובית היא MnO2, SOCL2, (CFx)n וכו'. היא הוכנסה לשימוש מעשי בשנות ה-70.בגלל האנרגיה הגבוהה שלו, מתח הסוללה הגבוה, טווח טמפרטורת ההפעלה הרחב וחיי האחסון הארוכים שלו, נעשה בו שימוש נרחב במכשירי חשמל קטנים צבאיים ואזרחיים, כגון טלפונים ניידים, מחשבים ניידים, מצלמות וידאו, מצלמות וכו', באופן חלקי. החלפת סוללות מסורתיות..

3. סיכויי פיתוח של סוללות ליתיום-יון
סוללות ליתיום-יון נמצאות בשימוש נרחב במכשירים ניידים כגון מחשבים ניידים, מצלמות וידאו ותקשורת ניידת בשל היתרונות הפונקציונליים הייחודיים שלהן.סוללת הליתיום-יון בעלת הקיבולת הגדולה שפותחה כעת נוסתה בכלי רכב חשמליים, וההערכה היא שהיא תהפוך לאחד ממקורות הכוח העיקריים של כלי רכב חשמליים במאה ה-21, ותשמש בלוויינים, תעופה וחלל ואחסון אנרגיה .

4. התפקוד הבסיסי של הסוללה
(1) מתח המעגל הפתוח של הסוללה
(2) התנגדות פנימית של הסוללה
(3) מתח הפעולה של הסוללה

(4) מתח טעינה
מתח הטעינה מתייחס למתח המופעל על שני קצוות הסוללה על ידי ספק הכוח החיצוני כאשר הסוללה המשנית נטענת.השיטות הבסיסיות לטעינה כוללות טעינת זרם קבוע וטעינת מתח קבוע.בדרך כלל, נעשה שימוש בטעינת זרם קבוע, והמאפיין שלה הוא שזרם הטעינה יציב במהלך תהליך הטעינה.ככל שהטעינה מתקדמת, החומר הפעיל מוחזר, אזור התגובה של האלקטרודות מצטמצם ברציפות, והקיטוב של המנוע גדל בהדרגה.

(5) קיבולת סוללה
קיבולת הסוללה מתייחסת לכמות החשמל המתקבלת מהסוללה, המתבטאת בדרך כלל ב-C, והיחידה מתבטאת בדרך כלל ב-Ah או mAh.קיבולת היא יעד חשוב של ביצועי הסוללה החשמליים.הקיבולת של הסוללה מחולקת בדרך כלל לקיבולת תיאורטית, קיבולת מעשית וקיבולת מדורגת.

קיבולת הסוללה נקבעת על פי קיבולת האלקטרודות.אם קיבולות האלקטרודות אינן שוות, קיבולת הסוללה תלויה באלקטרודה בעלת הקיבולת הקטנה יותר, אך היא בשום אופן לא סכום הקיבולת של האלקטרודות החיוביות והשליליות.

(6) פונקציית אחסון וחיי הסוללה
אחת התכונות העיקריות של מקורות כוח כימיים היא שהם יכולים לשחרר אנרגיה חשמלית בעת שימוש ולאגור אנרגיה חשמלית כאשר אינם בשימוש.מה שנקרא פונקציית אחסון היא היכולת לשמור על טעינה עבור הסוללה המשנית.

לגבי הסוללה המשנית, חיי השירות הם פרמטר חשוב למדידת ביצועי הסוללה.סוללה משנית נטענת ומתרוקנת פעם אחת, הנקראת מחזור (או מחזור).לפי קריטריון טעינה ופריקה מסוים, מספר זמני הטעינה והפריקה שהסוללה יכולה לעמוד בהם לפני שקיבולת הסוללה מגיעה לערך מסוים נקרא מחזור הפעולה של הסוללה המשנית.לסוללות ליתיום-יון יש ביצועי אחסון מצוינים וחיי מחזור ארוכים.

סוללות ליתיום - תכונות
א. צפיפות אנרגיה גבוהה
משקלה של סוללת הליתיום-יון הוא מחצית ממשקלה של סוללת ניקל-קדמיום או ניקל-מימן באותה קיבולת, והנפח הוא 40-50% מסוללת הניקל-קדמיום ו-20-30% מסוללת הניקל-מימן. .

ב. מתח גבוה
מתח הפעולה של סוללת ליתיום-יון בודדת הוא 3.7V (ערך ממוצע), אשר שווה ערך לשלוש סוללות ניקל-קדמיום או ניקל-מתכת הידריד המחוברות בסדרה.

ג. אין זיהום
סוללות ליתיום-יון אינן מכילות מתכות מזיקות כגון קדמיום, עופרת וכספית.

ד אינו מכיל ליתיום מתכתי
סוללות ליתיום-יון אינן מכילות ליתיום מתכתי ולכן אינן כפופות לתקנות כגון איסור נשיאת סוללות ליתיום במטוסי נוסעים.

ה. חיי מחזור גבוה
בתנאים רגילים, לסוללות ליתיום-יון יכולות להיות יותר מ-500 מחזורי טעינה-פריקה.

ו. אין אפקט זיכרון
אפקט הזיכרון מתייחס לתופעה שהקיבולת של סוללת ניקל קדמיום מצטמצמת במהלך מחזור הטעינה והפריקה.לסוללות ליתיום-יון אין השפעה זו.

ז טעינה מהירה
שימוש במטען זרם קבוע ומתח קבוע במתח נקוב של 4.2V יכול לטעון את סוללת הליתיום-יון במלואה תוך שעה עד שעתיים.

סוללת ליתיום - העיקרון והמבנה של סוללת ליתיום
1. מבנה ועקרון העבודה של סוללת ליתיום יון: מה שנקרא סוללת ליתיום יון מתייחסת לסוללה משנית המורכבת משתי תרכובות שיכולות לשלב באופן הפיך ולבטל את האינטרקלציה של יוני ליתיום כאלקטרודות חיוביות ושליליות.אנשים קוראים לסוללת ליתיום-יון זו עם מנגנון ייחודי, המסתמך על העברת יוני ליתיום בין האלקטרודות החיוביות והשליליות להשלמת פעולת הטעינה והפריקה של הסוללה, כ"סוללת כיסא נדנדה", הידועה בכינויה "סוללת ליתיום". .ניקח את LiCoO2 כדוגמה: (1) כאשר הסוללה טעונה, יוני ליתיום מנותקים מהאלקטרודה החיובית ומשולבים באלקטרודה השלילית, ולהיפך בעת פריקה.זה מחייב שהאלקטרודה תהיה במצב של שילוב ליתיום לפני ההרכבה.בדרך כלל, תחמוצת מתכת מעבר אינטרקלציית ליתיום בעלת פוטנציאל גדול מ-3V ביחס לליתיום ויציבה באוויר נבחרת כאלקטרודה החיובית, כגון LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4.(2) עבור חומרים שהם אלקטרודות שליליות, בחר תרכובות ליתיום ניתנות לחיבור שהפוטנציאל שלהן קרוב ככל האפשר לפוטנציאל הליתיום.לדוגמה, חומרי פחמן שונים כוללים גרפיט טבעי, גרפיט סינטטי, סיבי פחמן, פחמן כדורי מזופאז וכו' ותחמוצות מתכת, כולל SnO, SnO2, תחמוצת פח מרוכבת SnBxPyOz (x=0.4~0.6, y=0.6~0.4, z= (2+3x+5y)/2) וכו'.

סוללת ליתיום
2. הסוללה כוללת בדרך כלל: חיובי, שלילי, אלקטרוליט, מפריד, עופרת חיובית, לוח שלילי, מסוף מרכזי, חומר בידוד (מבודד), שסתום בטיחות (פרונט בטיחות), טבעת איטום (אטם), PTC (מסוף בקרת טמפרטורה חיובית), כיסוי סוללה.באופן כללי, אנשים מודאגים יותר מהאלקטרודה החיובית, האלקטרודה השלילית והאלקטרוליט.

סוללת ליתיום
השוואה בין מבנה סוללת ליתיום-יון
על פי חומרי קתודה שונים, הוא מחולק לליתיום ברזל, ליתיום קובלט, ליתיום מנגן וכו';
מסיווג הצורה, הוא מחולק בדרך כלל לגלילי ומרובעים, וניתן ליצור יוני ליתיום פולימריים לכל צורה;
על פי חומרי האלקטרוליטים השונים המשמשים בסוללות ליתיום-יון, ניתן לחלק את סוללות הליתיום-יון לשתי קטגוריות: סוללות ליתיום-יון נוזליות (LIB) וסוללות ליתיום-יון במצב מוצק.PLIB) היא סוג של סוללת ליתיום-יון במצב מוצק.

אלקטרוליט
קולט זרם של מעטפת/חבילה מחסום
סוללת ליתיום-יון נוזלית נירוסטה נוזלית, אלומיניום 25μPE רדיד נחושת ורדיד אלומיניום פולימר סוללת ליתיום-יון קולואידית פולימר אלומיניום/PP סרט מרוכב ללא מחסום או רדיד נחושת יחיד μPE ורדיד אלומיניום

סוללות ליתיום - תפקידן של סוללות ליתיום יון

1. צפיפות אנרגיה גבוהה
בהשוואה לסוללות NI/CD או NI/MH בעלות אותה קיבולת, סוללות ליתיום-יון קלות יותר במשקל, והאנרגיה הספציפית לנפח שלהן היא פי 1.5 עד 2 מזו של שני סוגי הסוללות הללו.

2. מתח גבוה
סוללות ליתיום-יון משתמשות באלקטרודות ליתיום המכילות אלמנטים אלקטרוניים שליליים ביותר כדי להשיג מתחי קצה של עד 3.7V, שהם פי שלושה מהמתח של סוללות NI/CD או NI/MH.

3. לא מזהם, ידידותי לסביבה

4. חיי מחזור ארוכים
תוחלת החיים עולה על פי 500

5. כושר עומס גבוה
ניתן לפרוק סוללות ליתיום-יון ברציפות בזרם גדול, כך שניתן להשתמש בסוללה זו במכשירים בעלי הספק גבוה כגון מצלמות ומחשבים ניידים.

6. אבטחה מעולה
בגלל השימוש בחומרי אנודה מצוינים, מתגברים על בעיית צמיחת הליתיום הדנדריט במהלך טעינת הסוללה, מה שמשפר מאוד את הבטיחות של סוללות ליתיום-יון.במקביל, נבחרים אביזרים מיוחדים הניתנים לשחזור כדי להבטיח את בטיחות הסוללה במהלך השימוש.

סוללת ליתיום - שיטת טעינת סוללת ליתיום יון
שיטה 1. לפני שסוללת הליתיום-יון עוזבת את המפעל, ביצע היצרן טיפול הפעלה והטעינה מראש, כך שלסוללת הליתיום-יון יש כוח שיורי, וסוללת הליתיום-יון נטענת בהתאם לתקופת ההתאמה.תקופת הסתגלות זו צריכה להתבצע 3 עד 5 פעמים לחלוטין.פְּרִיקָה.
שיטה 2. לפני הטעינה, אין צורך לפרוק במיוחד את סוללת הליתיום-יון.פריקה לא נכונה תגרום נזק לסוללה.בעת הטעינה, נסה להשתמש בטעינה איטית ולהפחית את הטעינה המהירה;הזמן לא יעלה על 24 שעות.רק לאחר שהסוללה תעבור שלושה עד חמישה מחזורי טעינה ופריקה מלאים, הכימיקלים הפנימיים שלה "יופעלו" במלואם לשימוש מיטבי.
שיטה 3. אנא השתמש במטען המקורי או במטען מותג מכובד.עבור סוללות ליתיום, השתמש במטען מיוחד לסוללות ליתיום ופעל לפי ההוראות.אחרת, הסוללה תינזק או אפילו תסתכן.
שיטה 4. הסוללה החדשה שנרכשה היא ליתיום יון, ולכן 3 עד 5 פעמים הטעינה הראשונות נקראות בדרך כלל תקופת הסתגלות, ויש לטעון אותה במשך יותר מ-14 שעות כדי להבטיח שפעילות יוני הליתיום מופעלת במלואה.לסוללות ליתיום-יון אין אפקט זיכרון, אך יש להן אינרטיות חזקה.הם צריכים להיות מופעלים במלואם כדי להבטיח את הביצועים הטובים ביותר ביישומים עתידיים.
שיטה 5. סוללת הליתיום-יון חייבת להשתמש במטען מיוחד, אחרת היא עלולה לא להגיע למצב הרוויה ולהשפיע על תפקודה.לאחר הטעינה, הימנע מהנחתו על המטען במשך יותר מ-12 שעות, והפרד את הסוללה מהמוצר האלקטרוני הנייד כאשר אינו בשימוש במשך זמן רב.

סוללת ליתיום - שימוש
עם התפתחות טכנולוגיית המיקרו-אלקטרוניקה במאה העשרים, מכשירים ממוזערים גדלים מיום ליום, מה שמציב דרישות גבוהות לאספקת חשמל.סוללות ליתיום נכנסו אז לשלב מעשי בקנה מידה גדול.
הוא שימש לראשונה בקוצבי לב.מכיוון שקצב הפריקה העצמית של סוללות ליתיום נמוך במיוחד, מתח הפריקה תלול.היא מאפשרת להשתיל את קוצב הלב בגוף האדם לאורך זמן.
לסוללות ליתיום יש בדרך כלל מתח נומינלי גבוה מ-3.0 וולט והן מתאימות יותר לספקי כוח במעגלים משולבים.סוללות מנגן דו חמצני נמצאות בשימוש נרחב במחשבים, מחשבונים, מצלמות ושעונים.

דוגמה ליישום
1. ישנן ערכות סוללות רבות כתחליף לתיקוני מארז סוללות: כמו אלה המשמשים במחשבים ניידים.לאחר תיקון, נמצא שכאשר מארז סוללות זה פגום, רק לסוללות בודדות יש בעיות.ניתן להחליפו בסוללת ליתיום חד-תא מתאימה.
2. הכנת לפיד מיניאטורי בבהירות גבוהה המחבר השתמש פעם בסוללת ליתיום אחת 3.6V1.6AH עם צינור פולט אור לבן בבהירות סופר כדי ליצור לפיד מיניאטורי, קל לשימוש, קומפקטי ויפה.ובגלל קיבולת הסוללה הגדולה, ניתן להשתמש בו חצי שעה בכל לילה בממוצע, והוא נמצא בשימוש יותר מחודשיים ללא טעינה.
3. ספק כוח חלופי 3V

מכיוון שמתח סוללת הליתיום החד-תא הוא 3.6V.לכן, רק סוללת ליתיום אחת יכולה להחליף שתי סוללות רגילות כדי לספק חשמל למכשירים ביתיים קטנים כמו מכשירי רדיו, ווקמנים, מצלמות וכו', שהיא לא רק קלה במשקל, אלא גם מחזיקה מעמד לאורך זמן.

חומר האנודה של סוללת ליתיום-יון - ליתיום טיטנאט

ניתן לשלב אותו עם ליתיום מנגנט, חומרים טרינריים או פוספט ליתיום ברזל וחומרים חיוביים אחרים ליצירת סוללות ליתיום יון משניות של 2.4V או 1.9V.בנוסף, זה יכול לשמש גם כאלקטרודה חיובית ליצירת סוללת ליתיום 1.5V עם סוללת ליתיום מתכת או סגסוגת ליתיום שלילית אלקטרודה משנית.

בגלל הבטיחות הגבוהה, היציבות הגבוהה, אורך החיים והמאפיינים הירוקים של ליתיום טיטנאט.ניתן לחזות שחומר ליתיום טיטנאט יהפוך לחומר האלקטרודה השלילי של דור חדש של סוללות ליתיום יון תוך 2-3 שנים ויהיה בשימוש נרחב בכלי רכב חדשים, אופנועים חשמליים וכאלה הדורשים בטיחות גבוהה, יציבות גבוהה ומחזור ארוך.תחום יישום.מתח הפעולה של סוללת ליתיום טיטנאט הוא 2.4V, המתח הגבוה ביותר הוא 3.0V, וזרם הטעינה הוא עד 2C.

הרכב סוללת ליתיום טיטנאט
אלקטרודה חיובית: ליתיום ברזל פוספט, ליתיום מנגנט או חומר טריני, מנגנט ליתיום ניקל.
אלקטרודה שלילית: חומר ליתיום טיטנאט.
מחסום: מחסום סוללת הליתיום הנוכחי עם פחמן בתור האלקטרודה השלילית.
אלקטרוליט: אלקטרוליט סוללת ליתיום עם פחמן בתור האלקטרודה השלילית.
מארז סוללה: מארז סוללת ליתיום עם פחמן בתור האלקטרודה השלילית.

היתרונות של סוללות ליתיום טיטנאט: בחירה ברכב חשמלי להחלפת רכבי דלק היא הבחירה הטובה ביותר לפתרון זיהום סביבתי עירוני.ביניהן, סוללות כוח ליתיום-יון משכו תשומת לב רבה של חוקרים.על מנת לעמוד בדרישות של כלי רכב חשמליים עבור סוללות ליתיום-יון מובנות, מחקר ופיתוח חומרים שליליים עם בטיחות גבוהה, ביצועי תעריף טובים ואריכות ימים הם הנקודות החמות והקשיים שלה.

אלקטרודות שליליות לסוללת ליתיום-יון מסחריות משתמשות בעיקר בחומרי פחמן, אך עדיין ישנם כמה חסרונות ביישום סוללות ליתיום המשתמשות בפחמן כאלקטרודה השלילית:
1. דנדריטים של ליתיום מושקעים בקלות במהלך טעינת יתר, מה שגורם לקצר של הסוללה ומשפיע על תפקוד הבטיחות של סוללת הליתיום;
2. קל ליצור סרט SEI, וכתוצאה מכך כוח טעינה ופריקה ראשוני נמוך וקיבולת בלתי הפיכה גדולה;
3. כלומר, מתח הפלטפורמה של חומרי פחמן נמוך (קרוב לליתיום מתכת), וקל לגרום לפירוק האלקטרוליט שיביא לסיכונים ביטחוניים.
4. בתהליך החדרה ושאיבת ליתיום יון, הנפח משתנה מאוד, ויציבות המחזור ירודה.

בהשוואה לחומרי פחמן, ל-Li4Ti5012 מסוג ספינל יש יתרונות משמעותיים:
1. זה חומר אפס מתח ובעל ביצועי מחזור טובים;
2. מתח הפריקה יציב, והאלקטרוליט לא יתפרק, מה שמשפר את ביצועי הבטיחות של סוללות ליתיום;
3. בהשוואה לחומרי אנודות פחמן, לליתיום טיטנאט יש מקדם דיפוזי יון ליתיום גבוה (2*10-8cm2/s), וניתן לטעון ולפרוק בקצב גבוה.
4. הפוטנציאל של ליתיום טיטנאט גבוה מזה של ליתיום מתכתי טהור, ולא קל לייצר ליתיום דנדריטים, המהווים בסיס להבטחת בטיחות סוללות הליתיום.

מעגל תחזוקה
הוא מורכב משני טרנזיסטורי אפקט שדה ובלוק משולב תחזוקה ייעודי S-8232.צינור בקרת טעינת יתר FET2 וצינור בקרת פריקת יתר FET1 מחוברים בסדרה למעגל, ומתח הסוללה מנוטר ונשלט על ידי IC התחזוקה.כאשר מתח הסוללה עולה ל-4.2V, צינור התחזוקה של טעינת יתר FET1 כבוי, והטעינה מופסקת.על מנת למנוע תקלה, בדרך כלל מתווסף קבל השהייה למעגל החיצוני.כאשר הסוללה במצב ריק, מתח הסוללה יורד ל-2.55.