تجزیه و تحلیل جامع باتری های لیتیومی: از اصول اولیه تا تولید، ساختار، فرآیندها، برنامه ها و روندهای صنعت

باتری‌های لیتیومی مدت‌هاست که «هسته انرژی» در بخش‌هایی مانند لوازم الکترونیکی مصرفی، وسایل نقلیه جدید انرژی، سیستم‌های ذخیره انرژی و حتی اقتصاد در ارتفاع کم بوده است. از دستگاه‌های کوچک مانند تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ گرفته تا تجهیزات{2}در مقیاس بزرگ مانند وسایل نقلیه الکتریکی و نیروگاه‌های ذخیره انرژی، عملکرد آنها مستقیماً استقامت، سطح ایمنی و عمر تجهیزات را تعیین می‌کند. این مقاله به طور جامع این جزء انرژی حیاتی را از هم جدا می‌کند و ترکیب اصلی آن، مقایسه مزایا و معایب، سیستم طبقه‌بندی، اصطلاحات حرفه‌ای، قوانین نام‌گذاری و همچنین کل فرآیند تولید و شیوه‌های صنعت را پوشش می‌دهد و اسرار فنی باتری‌های لیتیومی را برای شما آشکار می‌کند.

I. ترکیب هسته باتری های لیتیومی: هم افزایی بین "قلب" و "مغز"

عملکرد پایدار یک باتری لیتیومی به هم افزایی دو سیستم اصلی متکی است: «تامین انرژی» و «کنترل ایمنی». به طور خاص، می توان آن را به دو بخش تقسیم کرد: سلول باتری و برد محافظ (یا BMS) که هر کدام عملکرد غیر قابل تعویضی دارند.

1. سلول باتری: "قلب انرژی" باتری های لیتیومی

سلول باتری هسته ای برای ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی است که معادل «قلب» باتری لیتیومی است. عملکرد آن به طور مستقیم چگالی انرژی، عمر چرخه و ایمنی باتری را تعیین می کند. سلول باتری عمدتاً از 5 جزء کلیدی تشکیل شده است:

مواد کاتد: "منبع" خروجی انرژی که در حین تخلیه یون های لیتیوم آزاد می کند. مواد متداول عبارتند از اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2، مورد استفاده در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ، دارای پلت فرم ولتاژ بالا اما ایمنی ضعیف)، فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4، مورد استفاده در ذخیره‌سازی انرژی و وسایل نقلیه الکتریکی، با ایمنی بالا و عمر چرخه طولانی)، لیتیوم سه تایی (Lithium ₂n, CoNi⧂n used). وسایل نقلیه الکتریکی با کیفیت بالا، با چگالی انرژی بالا، و لیتیوم منگنات (LiMn2O4، مورد استفاده در ابزارهای برقی، با هزینه کم اما پایداری دمای بالا ضعیف).

مواد آند: "انبار" برای ذخیره انرژی که یون های لیتیوم را در هنگام شارژ جذب می کند و در هنگام تخلیه به کاتد می فرستد. در حال حاضر، گرافیت جریان اصلی است (با هزینه کم و پایداری خوب، بیش از 90٪ از بازار مواد آند را به خود اختصاص می دهد). نسل جدید آندهای مبتنی بر{3} سیلیکون (با ظرفیت نظری بیش از 10 برابر گرافیت) به تدریج در حال تجاری شدن است، در حالی که آندهای فلزی لیتیوم به دلیل مشکلات دندریت هنوز در مرحله تحقیق و توسعه هستند.

الکترولیت: "کانال" برای مهاجرت یون لیتیوم، معمولا از نمک لیتیوم (به عنوان مثال، LiPF6، ارائه یون های لیتیوم)، حلال های آلی (به عنوان مثال، کربنات ها، نمک های لیتیوم حل کننده) و مواد افزودنی (بهبود چرخه عمر و ایمنی) تشکیل شده است. خلوص و پایداری آن مستقیماً بر عملکرد دمای بالا و پایین و سطح ایمنی باتری تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، رطوبت بیش از حد با نمک های لیتیوم واکنش داده و گازهای مضر تولید می کند و خطرات ایمنی بالقوه را ایجاد می کند.

جداکننده: "سد ایمنی" بین کاتد و آند، یک فیلم پلیمری متخلخل (بیشتر پلی اتیلن PE و پلی پروپیلن PP). نه تنها می تواند از تماس مستقیم و اتصال کوتاه بین کاتد و آند جلوگیری کند، بلکه به یون های لیتیوم اجازه عبور می دهد. جداکننده‌های با کیفیت-باید اندازه منافذ یکنواخت، استحکام مکانیکی کافی و پایداری شیمیایی داشته باشند. در دماهای بالا، آنها همچنین می توانند انتقال یون را از طریق "اثر خاموشی" مسدود کنند تا از فرار حرارتی جلوگیری کنند.

پوسته: "پوشش محافظ" سلول باتری، که بر اساس شکل به پوسته آلومینیومی (باتری های منشوری، مانند باتری های تلفن همراه)، پوسته فولادی (باتری های استوانه ای، مانند 18650) و آلومینیومی{1}}فیلم کامپوزیت پلاستیکی (باتری های کیسه ای، مانند تلفن های همراه نازک و دستگاه های پوشیدنی) تقسیم می شود. پوسته باید دارای ویژگی‌های-مقاوم در برابر انفجار،{4}}مقاوم در برابر دمای بالا و مقاوم در برابر خوردگی{5}} باشد، در حالی که برای بهبود چگالی انرژی باتری تا حد امکان سبک باشد.

2. هیئت حفاظت: "مغز ایمنی" باتری های لیتیومی

اگر سلول باتری "قلب انرژی" است، برد حفاظتی "مغز ایمنی" است که مسئول نظارت بر وضعیت شارژ و دشارژ باتری برای جلوگیری از خطراتی مانند شارژ بیش از حد،-تخلیه بیش از حد و اتصال کوتاه است. برد حفاظتی باتری های برق معمولاً سیستم مدیریت باتری (BMS) نامیده می شود که ساختار پیچیده تری دارد، در حالی که برد حفاظتی باتری های مصرف کننده (مانند باتری های تلفن همراه) نسبتاً ساده شده است. اجزای اصلی شامل:

تراشه حفاظتی/تراشه مدیریت: واحد کنترل هسته که-زمان واقعی ولتاژ، جریان و دمای باتری را کنترل می‌کند. هنگامی که ناهنجاری‌ها شناسایی می‌شوند (به عنوان مثال، شارژ بیش از حد با ولتاژ بیش از 4.2 ولت، تخلیه بیش از- با ولتاژ زیر 3.0 ولت)، مکانیسم حفاظتی را فعال می‌کند.

ماسفت: "سوئیچ" جریان که مدار شارژ و دشارژ را به دستور تراشه قطع یا هدایت می کند. به عنوان مثال، در هنگام شارژ بیش از حد، ماسفت مسیر شارژ را قطع می کند تا از آسیب به سلول باتری جلوگیری کند.

مقاومت ها و خازن ها: اجزای کمکی که برای نمونه گیری جریان و فیلتر ولتاژ استفاده می شود تا از صحت داده های تشخیص اطمینان حاصل شود.

برد PCB: "حامل" قطعات، یکپارچه سازی تراشه ها، ماسفت ها و سایر قطعات برای تشکیل یک سیستم مدار پایدار.

PTC/NTC: اجزای حفاظت از دما. PTC (ترمیستور با ضریب دمای مثبت) مقاومت در دماهای بالا برای محدود کردن جریان افزایش می یابد. NTC (ترمیستور ضریب دمای منفی) دما را در زمان واقعی حس می کند و داده های دما را برای تراشه فراهم می کند.

II. مزایا و معایب باتری های لیتیومی: چرا آنها می توانند منبع اصلی انرژی باشند؟

باتری‌های لیتیومی می‌توانند جایگزین باتری‌های سرب-اسید، نیکل-کادمیم و نیکل{2}}هیدرید فلزی شوند تا به دلیل مزایای عملکردی برجسته‌شان، به اولین انتخاب در لوازم الکترونیکی مصرفی و حوزه‌های انرژی نو تبدیل شوند، اما کاستی‌های غیرقابل انکاری نیز دارند. ما می‌توانیم موقعیت باتری‌های لیتیومی را از طریق مقایسه افقی چهار نوع باتری اصلی درک کنیم:

1. مزایای اصلی: چرا باتری های لیتیومی غیر قابل تعویض هستند؟

چگالی انرژی بالا: چگالی انرژی گرانشی 4-8 برابر باتری‌های سرب-اسید و چگالی انرژی حجمی 4-5 برابر باتری‌های سرب اسیدی است. این بدان معناست که باتری‌های لیتیومی می‌توانند انرژی الکتریکی بیشتری را تحت وزن/حجم یکسان ذخیره کنند. به عنوان مثال، یک باتری لیتیومی تلفن همراه با ظرفیت 1900 میلی آمپر ساعت تنها حدود 20 گرم وزن دارد، در حالی که یک باتری سرب اسیدی با همین ظرفیت بیش از 1 کیلوگرم وزن دارد که برای دستگاه های قابل حمل کاملاً نامناسب است.

عمر چرخه طولانی: باتری‌های لیتیومی با کیفیت بالا می‌توانند بیش از 1500 چرخه داشته باشند، و باتری‌های لیتیوم فسفات آهن حتی می‌توانند از 6000 چرخه بیشتر شوند، در حالی که باتری‌های سرب-اسید فقط 200-300 چرخه دارند. با در نظر گرفتن خودروهای الکتریکی به عنوان مثال، مدل‌های مجهز به باتری‌های لیتیومی عمر باتری 5 تا 8 سال دارند که بسیار بیشتر از 1 تا 2 سال باتری‌های سرب اسیدی است.

سازگار با محیط زیست و آلودگی-رایگان: عاری از فلزات سنگین سمی مانند سرب، جیوه و کادمیوم، در کل چرخه عمر تولید، استفاده و ضایعات، مطابق با روند جهانی "کربن دوگانه" سازگار با محیط زیست است. در مقابل، آلودگی سرب ناشی از باتری‌های سرب-اسید و آلودگی کادمیوم از باتری‌های نیکل{2}}کادمیم در بسیاری از کشورها محدود شده است.

خود{0}}نرخ تخلیه پایین: میزان تخلیه ماهانه خود-تنها 2%-9% است، بسیار کمتر از 20%-30% باتری‌های نیکل هیدرید فلز. باتری لیتیومی تلفن همراه با شارژ کامل پس از یک ماه بیکار ماندن همچنان می تواند بیش از 80 درصد توان خود را حفظ کند، در حالی که باتری نیکل-فلز هیدرید ممکن است تنها 50 درصد باقی مانده باشد.

پلت فرم ولتاژ بالا: ولتاژ اسمی یک سلول 3.2-3.7V، معادل ولتاژ سری 3 باتری نیکل-کادمیم/نیکل-فلز هیدرید است. این می تواند نیازهای تجهیزات را بدون اتصالات سری متعدد برآورده کند و طراحی بسته باتری را ساده کند.

2. کاستی های اصلی: چه مشکلاتی هنوز باید حل شوند؟

هزینه بالا: هزینه باتری حدود 2.0-3.5 CNY در هر وات ساعت، 2-5 برابر باتری های سرب اسید است. اگرچه با تولید در مقیاس بزرگ به تدریج در حال کاهش است، اما همچنان اقلام اصلی هزینه وسایل نقلیه انرژی جدید و سیستم های ذخیره انرژی است.

سازگاری ضعیف با دما: دمای عملیاتی بهینه 0-45 درجه است. هنگامی که دما زیر 0 درجه است، ظرفیت به طور قابل توجهی کاهش می یابد (به عنوان مثال، در -20 درجه، ظرفیت ممکن است تنها 50٪ باقی بماند). هنگامی که درجه حرارت بالاتر از 60 درجه باشد، خطرات ایمنی وجود دارد. سیستم های گرمایش/سرمایش اضافی باید پیکربندی شوند و هزینه ها و پیچیدگی را افزایش دهند.

خطرات ایمنی: الکترولیت های مایع قابل اشتعال هستند. اگر سیستم حفاظتی از کار بیفتد (مانند شارژ بیش از حد، سوراخ شدن، اکستروژن)، ممکن است باعث فرار حرارتی شود و منجر به آتش سوزی و انفجار شود. بنابراین، باتری‌های لیتیومی باید به BMS یا بردهای حفاظتی مجهز باشند و نمی‌توانند مانند باتری‌های سرب{2}}«برهنه» استفاده شوند.

نیازهای بالا برای شارژرها: برای اطمینان از فرآیند شارژ پایدار و جلوگیری از شارژ بیش از حد، شارژرهای جریان ثابت و ولتاژ ثابت لازم است، در حالی که باتری‌های سرب{0}اسید فقط به یک تنظیم کننده ولتاژ ساده نیاز دارند و هزینه شارژر کمتر است.

III. سیستم طبقه بندی باتری های لیتیومی: چگونه برای سناریوهای مختلف انتخاب کنیم؟

انواع مختلفی از باتری های لیتیومی وجود دارد که می توان آنها را با توجه به ابعاد مختلف به چند دسته تقسیم کرد. باتری های دسته های مختلف تفاوت های عملکردی قابل توجهی دارند و برای سناریوهای مختلف مناسب هستند. تسلط بر منطق طبقه بندی می تواند به شما کمک کند تا بهتر درک کنید "چرا از باتری های لیتیوم کبالت در تلفن های همراه و باتری های لیتیوم آهن فسفات/لیتیوم سه تایی در خودروهای الکتریکی استفاده می شود".

1. ویژگی های شارژ و دشارژ کردن: باتری های اولیه در مقابل باتری های ثانویه

باتری‌های اصلی (غیر{0}قابل شارژ).: همچنین به عنوان باتری‌های لیتیومی اولیه، مانند باتری‌های لیتیوم دی اکسید منگنز (باتری‌های دکمه‌ای CR2032، مورد استفاده در کنترل‌های از راه دور و ساعت‌ها) و باتری‌های لیتیوم-تیونیل کلرید (مورد استفاده در دستگاه‌های اینترنت اشیا و ابزارهای کاشتنی پزشکی) نیز شناخته می‌شوند. آنها با ظرفیت بالا و ماندگاری طولانی (تا 10 سال) مشخص می شوند، اما قابل شارژ نیستند و پس از استفاده دور انداخته می شوند.

باتری های ثانویه (قابل شارژ).: که به عنوان باتری های ذخیره سازی نیز شناخته می شوند، رایج ترین نوع مورد استفاده در زندگی روزمره هستند، مانند باتری تلفن همراه و باتری وسایل نقلیه الکتریکی. آنها را می توان به طور مکرر برای 500-1500 بار شارژ و تخلیه کرد. هسته واکنش برگشت پذیر " مهاجرت یون لیتیوم بین کاتد و آند " است که تمرکز این مقاله نیز می باشد.

2. توسط مواد کاتد: تعیین عملکرد هسته باتری ها

این اصلی ترین روش طبقه بندی است و ماده کاتد به طور مستقیم چگالی انرژی، ایمنی و هزینه باتری را تعیین می کند:

اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO2): چگالی انرژی بالا (200-250Wh/kg)، پلت فرم ولتاژ بالا (3.7V)، اما ایمنی ضعیف و عمر چرخه کوتاه (500-800 چرخه)، عمدتاً در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفن های همراه و لپ تاپ ها استفاده می شود.

لیتیوم فسفات آهن (LiFePO4): ایمنی بسیار بالا (دمای فرار حرارتی بیش از 200 درجه)، عمر چرخه طولانی (1500{3}}6000 چرخه)، کم هزینه، اما چگالی انرژی کم (120-180Wh/kg)، عمدتاً در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، اتوبوس‌های الکتریکی و وسایل نقلیه الکتریکی پایین‌رده استفاده می‌شود.

لیتیوم سه تایی (LiNiₓCoᵧMn_zO2): چگالی انرژی بالا (200-300Wh/kg)، عملکرد خوب در دمای پایین-، اما ایمنی متوسط ​​و هزینه بالا. بر اساس محتوای نیکل به NCM523، NCM622 و NCM811 تقسیم می‌شود (هرچه میزان نیکل بیشتر باشد، چگالی انرژی بیشتر است)، که عمدتاً در وسایل نقلیه الکتریکی و هواپیماهای بدون سرنشین رده بالا استفاده می‌شود.

لیتیوم منگنات (LiMn2O4): هزینه کم، پایداری دمای بالا-، اما چگالی انرژی کم (100-150Wh/kg) و عمر چرخه کوتاه (300-500 چرخه)، عمدتاً در ابزارهای برقی و وسایل نقلیه الکتریکی کم سرعت استفاده می‌شود.

3. بر اساس شکل: تطبیق با فضاهای تجهیزات مختلف

باتری های استوانه ای: مانند 18650 (قطر 18 میلی متر، ارتفاع 65 میلی متر) و 21700 (قطر 21 میلی متر، ارتفاع 70 میلی متر)، با ساختار پایدار و راندمان تولید انبوه بالا، که عمدتاً در لپ تاپ ها و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود (مثلاً مدل های اولیه تسلا از 18650 استفاده کردند و بعداً به 2170 تغییر یافتند).

باتری های منشوری: مانند باتری های تلفن همراه (ضخامت 3-5 میلی متر، عرض 40-60 میلی متر) و باتری های برق وسایل نقلیه برقی (ضخامت 10-20 میلی متر، عرض 100-200 میلی متر)، با میزان استفاده از فضای بالا و قابل سفارشی سازی بر اساس اندازه تجهیزات، که در حال حاضر شکل اصلی خودروهای الکتریکی است.

باتری های کیسه ای: محصور شده با فیلم کامپوزیت آلومینیومی-پلاستیکی، می‌توان آن‌ها را فوق-نازک (ضخامت ۰٫۵ تا ۲ میلی‌متر) و انعطاف‌پذیر ساخت، که عمدتاً در تلفن‌های همراه نازک، دستگاه‌های پوشیدنی (مانند ساعت‌های هوشمند) و تلفن‌های همراه تاشو استفاده می‌شود.

4. توسط حالت الکترولیت: مایع در مقابل پلیمر

باتری های لیتیوم یونی (LIB): استفاده از الکترولیت های مایع، با چگالی انرژی بالا و هزینه کم، اما خطر نشتی وجود دارد. بیشتر باتری‌های استوانه‌ای و منشوری پوسته سخت{1}}به این دسته تعلق دارند.

باتری های لیتیوم پلیمری (PLB): استفاده از ژل یا الکترولیت های جامد، بدون خطر نشت و قابل انعطاف است. اکثر باتری های کیسه ای متعلق به این دسته هستند که عمدتاً در لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می شوند.

5. بر اساس برنامه: باتری های معمولی در مقابل باتری های برق

باتری های معمولی: مورد استفاده در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفن های همراه و لپ تاپ ها، با ظرفیت کم (1000mAh-10Ah) و نرخ تخلیه کم (0.5-2C)، که نیاز به چگالی انرژی بالایی دارند.

باتری های برق: در وسایل نقلیه الکتریکی و پهپادها، با ظرفیت زیاد (50Ah-500Ah) و سرعت تخلیه بالا (5-30C) استفاده می شود، که نیاز به مقاومت در برابر تخلیه جریان زیاد (به عنوان مثال، هنگامی که خودرو شتاب می گیرد)، نیاز به ایمنی و عمر چرخه بالاتری دارد.

IV. اصطلاحات اساسی باتری های لیتیومی: تمایز مفاهیم از ظرفیت تا SOC

هنگام خرید یا استفاده از باتری‌های لیتیومی، اغلب با عباراتی مانند "ظرفیت"، "C-" و "SOC" مواجه می‌شوید. درک این مفاهیم می تواند به شما در قضاوت دقیق عملکرد باتری و جلوگیری از گمراه شدن توسط "پارامترهای علامت گذاری نادرست" کمک کند.

1. ظرفیت: یک باتری چقدر می تواند برق ذخیره کند؟

تعریف: مقدار الکتریسیته ای که باتری می تواند تحت شرایط تخلیه معین آزاد کند، که با فرمول Q=I×t (I جریان است، t زمان است)، با واحدهای Ah (آمپر-ساعت) یا mAh (میلی آمپر-ساعت) محاسبه می شود.

توضیح ساده: 1Ah به این معنی است که باتری می تواند با جریان 1A به مدت 1 ساعت تخلیه شود و 1mAh به این معنی است که می تواند با جریان 1mA به مدت 1 ساعت تخلیه شود. به عنوان مثال، باتری تلفن همراه با 1900 میلی آمپر ساعت به این معنی است که می تواند با جریان 190 میلی آمپر به مدت 10 ساعت تخلیه شود.

سناریوهای رایج: باتری تلفن همراه: 800-1900mAh; دوچرخه برقی: 10-20Ah; وسایل نقلیه الکتریکی: 20-200Ah; باتری های ذخیره انرژی: 100-1000Ah.

2. نرخ شارژ/دشارژ (نرخ C{1}): سرعت شارژ/دشارژ چقدر است؟

تعریف: جریان شارژ/دشارژ که به صورت مضربی از ظرفیت اسمی باتری بیان می‌شود. 1C جریان «شارژ/دشارژ کامل در ۱ ساعت» است.

روش محاسبه: اگر ظرفیت باتری 1500mAh، 1C=1500mA، 2C=3000mA (در 0.5 ساعت کاملاً تخلیه می‌شود)، 0.1C=150mA (در 10 ساعت کاملاً تخلیه می‌شود).

یادداشت ها: هر چه میزان دشارژ بیشتر باشد، ظرفیت واقعی باتری کمتر است (به عنوان مثال، ظرفیت در دشارژ 2 درجه سانتی گراد ممکن است تنها 80 درصد آن در دشارژ 1 درجه سانتی گراد باشد)، و تولید گرما جدی تر است. بنابراین، باتری‌های برق باید قابلیت تخلیه{6} با سرعت بالایی داشته باشند (به عنوان مثال، وسایل نقلیه الکتریکی به بیش از 5 درجه سانتیگراد نیاز دارند).

3. ولتاژ (OCV): "سکوی ولتاژ" باتری ها

ولتاژ اسمی: ولتاژ نامی باتری. باتری‌های لیتیومی معمولی 3.2-3.7 ولت هستند (اکسید لیتیوم کبالت: 3.7 ولت؛ فسفات آهن لیتیوم: 3.2 ولت)، که یک شاخص مهم برای عملکرد باتری است.

ولتاژ مدار باز (OCV): ولتاژ باتری در زمانی که هیچ بار وصل نیست، که می تواند برای قضاوت در مورد وضعیت باتری استفاده شود (به عنوان مثال، OCV یک باتری اکسید لیتیوم کبالت کاملاً شارژ شده حدود 4.2 ولت و حدود 3.0 ولت در صورت قطع برق است).

پلت فرم ولتاژ: محدوده پایدار ولتاژ در هنگام شارژ و دشارژ باتری (معمولاً 20٪ - 80٪ ظرفیت)، که در آن ولتاژ کمی تغییر می کند. به عنوان مثال، پلت فرم ولتاژ باتری های اکسید کبالت لیتیوم 3.6-3.9V است که محدوده ولتاژ کاری معمولی تجهیزات نیز می باشد.

4. انرژی و نیرو: چه مدت می توان از آن استفاده کرد؟ چه مقدار توان می تواند تولید کند؟

انرژی: کل انرژی الکتریکی که باتری می تواند ذخیره کند، محاسبه شده با فرمول E=U×Q (U ولتاژ است، Q ظرفیت است)، با واحدهای Wh (وات- ساعت) یا کیلووات ساعت (کیلووات- ساعت، 1 کیلووات ساعت=1 درجه برق). به عنوان مثال، باتری تلفن همراه با 1900 میلی آمپر ساعت و 3.7 ولت دارای انرژی 3.7 ولت در 1.9 آمپر ساعت{10}}وات ساعت است.

قدرت: انرژی که باتری می تواند در واحد زمان تولید کند، با فرمول P{0}}U×I، با واحدهای W (وات) محاسبه می شود. قدرت "قدرت انفجار" تجهیزات را تعیین می کند. به عنوان مثال، وسایل نقلیه الکتریکی در هنگام شتاب گیری به باتری‌های-با قدرت بالا نیاز دارند، در حالی که تلفن‌های همراه فقط به باتری‌های کم-نیاز دارند.

5. عمر چرخه: چند بار می توان یک باتری را شارژ و دشارژ کرد؟

تعریف: یک بار شارژ و دشارژ باتری یک سیکل است. وقتی ظرفیت به 60 تا 70 درصد ظرفیت اولیه کاهش یابد، پایان عمر محسوب می شود.

تست استاندارد: استاندارد IEC تصریح می‌کند که باتری‌های لیتیومی تلفن‌های همراه که تا 3.0 ولت در 0.2 درجه سانتی‌گراد تخلیه می‌شوند و تا 4.2 ولت در دمای 1 درجه سانتی‌گراد شارژ می‌شوند، پس از 500 چرخه باید ظرفیتی بیش‌تر یا برابر با 60 درصد داشته باشند. استاندارد ملی تصریح می کند که ظرفیت باید بیشتر یا مساوی 70 درصد پس از 300 سیکل باشد.

پیشنهاد استفاده: از شارژ و دشارژ عمیق خودداری کنید (به عنوان مثال، هر بار تا 100٪ شارژ نکنید یا تا 0٪ تخلیه کنید)، که می تواند عمر چرخه را افزایش دهد. به عنوان مثال، نگه داشتن باتری تلفن همراه در 20٪ - 80٪ از قدرت می تواند عمر را به بیش از 1000 چرخه افزایش دهد.

6. عمق دشارژ (DOD) و حالت شارژ (SOC): چه مقدار نیرو در باتری باقی مانده است؟

وزارت دفاع: درصد ظرفیت تخلیه شده به ظرفیت نامی. به عنوان مثال، اگر ظرفیت تخلیه 500 میلی آمپر ساعت و ظرفیت نامی 1000 میلی آمپر ساعت باشد، DOD{3}}%. هر چه DOD عمیق تر باشد، عمر باتری کوتاه تر است.

SOC: درصد ظرفیت باقیمانده به ظرفیت نامی. 0٪ به معنای عدم برق و 100٪ به معنای شارژ کامل است. BMS قدرت باقیمانده باتری را از طریق SOC قضاوت می کند و نمایشگر قدرت تلفن همراه بر اساس SOC محاسبه می شود.

7. قطع{1}}ولتاژ: «خط قرمز» شارژ/دشارژ

ولتاژ قطع شارژ-: ولتاژی که باتری را نمی توان بیشتر شارژ کرد. برای باتری های لیتیوم اکسید کبالت، 4.2 ولت است. برای باتری های لیتیوم آهن فسفات، 3.65 ولت است. بیش از این ولتاژ باعث آسیب به سلول باتری و فرار حرارتی می شود.

ولتاژ قطع تخلیه-: ولتاژی که باتری را نمی توان بیشتر تخلیه کرد. برای باتری های لیتیوم اکسید کبالت، 3.0 ولت است. برای باتری های لیتیوم فسفات آهن، 2.5 ولت است. زیر این ولتاژ باعث آسیب جبران ناپذیری به آند می شود و ظرفیت قابل بازیابی نیست.

8. مقاومت داخلی: "از دست دادن نامرئی" باتری ها

تعریف: مقاومت داخل باتری که مانع جریان جریان می شود، با واحدهای mΩ (میلی اهم)، به مقاومت داخلی اهمی (ناشی از مواد و ساختار) و مقاومت داخلی قطبی (ناشی از واکنش های الکتروشیمیایی) تقسیم می شود.

تاثیر: هرچه مقاومت داخلی کمتر باشد، راندمان شارژ و دشارژ باتری بیشتر می شود و گرمای کمتری تولید می شود. برای مثال، مقاومت داخلی باتری‌های برق باید کمتر از 50mΩ کنترل شود، در غیر این صورت، تولید گرمای شدید در هنگام تخلیه جریان بالا رخ می‌دهد.

V. قوانین نامگذاری باتری های لیتیومی: درک ابعاد از مدل ها

نام باتری های لیتیومی در بین سازندگان مختلف متفاوت است، اما باتری های عمومی از استاندارد IEC61960 پیروی می کنند. نوع و اندازه باتری را می توان از طریق مدل قضاوت کرد تا از خرید مدل اشتباه جلوگیری شود.

1. باتری های استوانه ای: 3 حرف + 5 اعداد

معنی حرف: حرف اول ماده آند را نشان می دهد (I=ساخته شده-در یون لیتیوم، L=فلز لیتیوم). حرف دوم ماده کاتد را نشان می دهد (C=کبالت، N=نیکل، M=منگنز، V=وانادیوم). حرف سوم=R (استوانه ای).

معنی عدد: 2 عدد اول=قطر (mm)، 3 عدد آخر=ارتفاع (mm).

نمونه ها. INR21700 - I (آند یون لیتیوم)، N (کاتد مبتنی بر نیکل، لیتیوم سه تایی)، R (استوانه‌ای)، قطر 21 میلی‌متر، ارتفاع 70 میلی‌متر، با ظرفیت 50 درصد بالاتر از 18650، در تسلا مدل 3 استفاده شده است.

2. باتری های منشوری: 3 حرف + 6 اعداد

معنی حرف: دو حرف اول مانند باتری‌های استوانه‌ای است، حرف سوم=P (منشوری).

معنی عدد: 2 عدد اول=ضخامت (mm)، 2 عدد وسط=عرض (mm)، دو عدد آخر=ارتفاع (mm).

نمونه ها: ICP053353 - I (آند یون لیتیوم)، C (کاتد اکسید لیتیوم کبالت)، P (منشوری)، ضخامت ۵ میلی‌متر، عرض ۳۳ میلی‌متر، ارتفاع ۵۳ میلی‌متر، باتری معمولی تلفن همراه؛ IFP{4}} I (آند یون لیتیوم)، F (کاتد مبتنی بر آهن، فسفات آهن لیتیوم)، P (منشوری)، ضخامت 10 میلی‌متر، عرض 15 میلی‌متر، ارتفاع 20 میلی‌متر، مورد استفاده در ساعت‌های هوشمند.

VI. کل فرآیند تولید باتری های لیتیومی: تلاش برای برتری در هر مرحله از مواد تا سلول

تولید باتری لیتیومی یک فرآیند پیچیده و بسیار خودکار است که شامل سه پیوند اصلی است: فرآیندهای- انتهایی، میانی-و انتهایی{2}}. کنترل دقیق هر لینک مستقیماً بر عملکرد و ایمنی باتری تأثیر می گذارد که به عنوان "ترکیبی از صنایع شیمیایی خوب و تولید دقیق" شناخته می شود.

1.-فرایند پایانی: تولید ورق الکترود (کلید تعیین ظرفیت باتری)

مخلوط کردن دوغاب: مواد فعال کاتدی (مانند LiCoO2)، عوامل رسانا (کربن سیاه)، بایندرها (PVDF) و حلالها (NMP) را در یک مخلوط کن خلاء مخلوط کنید تا یک دوغاب یکنواخت تشکیل شود. همین امر در مورد آند، با گرافیت به عنوان ماده فعال، CMC/SBR به عنوان چسب و آب به عنوان حلال صدق می کند. نیاز هسته: دوغاب باید یکنواخت و بدون ذرات باشد، در غیر این صورت منجر به ظرفیت ناهموار خواهد شد.

پوشش: دوغاب کاتد/آند را به طور یکنواخت روی کلکتور جریان بپوشانید (فویل آلومینیومی برای کاتد، فویل مسی برای آند)، با کنترل ضخامت پوشش (±1μm) و چگالی سطحی (وزن ماده فعال در واحد سطح). نیاز هسته: پوشش باید یکنواخت باشد، در غیر این صورت باعث گرم شدن موضعی و کاهش ظرفیت باتری می شود.

خشک کردن: حلال (NMP یا آب) را در فر با دمای 80-120 درجه کنترل شده تبخیر کنید. سرعت و سرعت باد باید دقیق باشد تا از ترک خوردگی و پیچ خوردگی پوشش جلوگیری شود.

تقویم کردن: برای افزایش چگالی پوشش (کاهش تخلخل)، بهبود چگالی انرژی و اطمینان از ضخامت یکنواخت (±0.5μm) ورق‌های الکترود خشک شده را با یک تقویم دقیق فشار دهید-.

بریدن: ورق های پهن الکترود را به صورت طولی به نوارهای باریک با عرض مورد نیاز برش دهید و از سوراخ شدن آن اجتناب کنید (خردها باعث اتصال کوتاه می شوند).

جوشکاری زبانه ای: زبانه های فلزی ( زبانه های آلومینیومی برای کاتد، زبانه های نیکل برای آند) را در موقعیت های مشخص شده روی ورق های الکترود به عنوان نقاط استخراج جریان جوش دهید. کیفیت جوش باید تضمین کند که اتصالات لحیم سرد یا جوش کاذب وجود ندارد.

2.{1}}فرایند پایانی میانی: مونتاژ سلول (کلید تعیین ایمنی باتری)

سیم پیچی/انباشته شدن: کاتد، جداکننده و آند را به ترتیب «کاتد جداکننده - آند - جداکننده -» روی هم قرار دهید، و آنها را با دستگاه سیم پیچی به سلول‌های استوانه‌ای/منشوری بپیچانید (نوع زخم)، یا آنها را در سلول‌های منشوری با دستگاه انباشته (نوع پشته‌ای) بپیچید. نوع انباشته دارای نرخ بهره برداری از فضای بالاتر و مقاومت داخلی کمتر اما راندمان پایین است. نوع زخم کارایی بالایی دارد و برای تولید انبوه مناسب است.

پوشش / محفظه: سلول‌های پوسته سخت استوانه‌ای/منشوری{0}}را در پوسته‌های فلزی (پوسته‌های فولادی/آلومینیوم) قرار دهید. سلول های کیسه ای را در پوسته های آلومینیومی{1}}پلاستیکی کامپوزیت قرار دهید.

پخت: سلول های محصور شده را در فر خلاء قرار دهید و در دمای 80-120 درجه به مدت 4-8 ساعت بپزید تا رطوبت سلول ها کاملاً گرفته شود (رطوبت زیر 50ppm باید کنترل شود) در غیر این صورت با الکترولیت واکنش داده و گازهای مضر تولید می کند.

تزریق الکترولیت: مقدار دقیق اندازه گیری شده الکترولیت را در یک اتاق خشک با نقطه شبنم زیر 40- درجه به سلول ها تزریق کنید. الکترولیت باید به طور کامل به صفحات الکترود و جداکننده ها نفوذ کند. خطای مقدار تزریق باید در ± 0.1 گرم کنترل شود، در غیر این صورت، ظرفیت باتری را تحت تأثیر قرار می دهد.

آب بندی: گرمای خلاء-درگاه تزریق الکترولیت سلول‌های کیسه‌ای را ببندید. سوراخ تزریق الکترولیت سلول‌های پوسته سخت-را با گلوله‌های فولادی (استوانه‌ای) یا میخ‌های آب‌بندی (منشوری) ببندید و با جوش لیزری از سفتی هوا اطمینان حاصل کنید (نشت هوا باعث تبخیر الکترولیت و کاهش ظرفیت می‌شود).

3. بازگشت-فرایند پایانی: تشکیل و آزمایش (غربالگری محصولات واجد شرایط)

تشکیل: سلول ها را برای اولین بار شارژ کنید تا یک لایه رابط الکترولیت جامد (SEI) پایدار روی سطح آند تشکیل شود که به یون های لیتیوم اجازه عبور می دهد اما الکترون ها را مسدود می کند که کلید عمر چرخه باتری و ایمنی است. جریان شارژ کم است (0.1-0.2C) و زمان طولانی است (8-12 ساعت).

پیری: اجازه دهید سلول های تشکیل شده در دمای اتاق یا دمای بالا (45 درجه) به مدت 3-7 روز باقی بمانند تا فیلم SEI تثبیت شود و سلول های معیوب با تخلیه بیش از حد خود (مثلاً سلول هایی با افت ولتاژ بیش از 50 میلی ولت) از بین بروند.

درجه بندی ظرفیت: آزمایش‌های تخلیه شارژ{0} استاندارد را روی سلول‌های قدیمی انجام دهید (شارژ به ولتاژ حد بالا، تخلیه تا ولتاژ حد پایین)، ظرفیت واقعی و درجه را بر اساس ظرفیت اندازه‌گیری کنید (به عنوان مثال، درجه A: 4950-5050 میلی‌آمپر ساعت، درجه B: 4850-4950 میلی‌آمپر ساعت برای اطمینان از ظرفیت ثابت سلول‌ها).

مرتب سازی: سلول ها را بر اساس پارامترهایی مانند ظرفیت، ولتاژ مدار باز و مقاومت داخلی طبقه بندی کنید و محصولات معیوب را حذف کنید (مثلا سلول های دارای مقاومت داخلی بیش از حد و ظرفیت ناکافی).

تست ظاهر و عملکرد: ظاهر سلول ها را بررسی کنید (بدون خط و خش، نشتی یا تغییر شکل)، مقاومت عایق، مقاومت داخلی AC و آزمایش های اتصال کوتاه را انجام دهید تا اطمینان حاصل کنید که عملکرد ایمنی مطابق با استانداردها است.

VII. روندهای صنعت و شیوه های سازمانی: آینده باتری های لیتیومی کجاست؟

با توسعه سریع صنعت انرژی های جدید، فناوری باتری های لیتیومی همچنان به پیشرفت خود ادامه می دهد و تعدادی از شرکت ها با تمرکز بر زمینه های تقسیم بندی شده ظهور کرده اند که گسترش باتری های لیتیومی را از زمینه "الکترونیک مصرف کننده" به زمینه های "صنعتی و انرژی" ترویج می کنند.

1. روندهای فناوری: از مایع به جامد، از ظرفیت بالا تا ایمنی بالا

باتری‌های{0}State Solid: الکترولیت‌ها و جداکننده‌های مایع را با الکترولیت‌های جامد جایگزین کنید، تا حد زیادی ایمنی (بدون خطر نشت یا فرار حرارتی)، با چگالی انرژی تا 400{3}}600 وات ساعت بر کیلوگرم (دو برابر باتری‌های لیتیومی موجود)، که می‌تواند خودروهای الکتریکی با برد بیش از 100 کیلومتر را پشتیبانی کند. در حال حاضر، باتری‌های نیمه جامد (با محتوای الکترولیت 5٪-10%) وارد مرحله تولید انبوه شده‌اند (به عنوان مثال، نسخه نیمه جامد NIO ET7) و انتظار می‌رود همه باتری‌های حالت جامد در حدود سال 2030 به تولید انبوه برسند.

فناوری شارژ سریع: با بهینه‌سازی مواد (مانند آندهای مبتنی بر سیلیکون،-الکترولیت‌های شارژ سریع-) و طراحی ساختاری، «۸۰٪ شارژ در ۱۰ دقیقه» را به دست آورید. برای مثال، باتری فوق‌العاده-شارژ S4 مجهز به Xpeng G9 می‌تواند 400 کیلومتر را در 10 دقیقه شارژ کند.

کاهش هزینه: از طریق تولید در مقیاس بزرگ (ظرفیت تولید باتری لیتیومی جهانی از 2 تراوات ساعت فراتر رفته است)، نوآوری در مواد (مانند فسفات آهن لیتیوم منگنز جایگزین لیتیوم سه تایی)، و بهینه‌سازی فرآیند (مانند فناوری CTP/CTC، کاهش اجزای ماژول)، هزینه باتری از NY1/5 ساعت در NY1/5 C به کمتر از 5 CW1 وات ساعت کاهش یافته است. در سال 2025، و انتظار می رود در آینده به 1 CNY/Wh کاهش یابد.

2. تمرین سازمانی: Zhongchuang Feiyue - تمرکز بر "انقلاب تعویض باتری" دو-خودروهای الکتریکی چرخدار

در زمینه وسایل نقلیه الکتریکی دو{0}چرخ، کاربرد باتری‌های لیتیومی از «شارژ کردن» به «تعویض باتری» در حال ارتقا است. Zhongchuang Feiyue (وابسته به Zhongchuang New Energy Group) یک شرکت نماینده این گرایش است. اقدامات اصلی آن عبارتند از:

راه حل های مبتنی بر سناریو{0}: باتری‌های لیتیومی با-ایمنی و عمر طولانی- را برای سناریوهایی مانند دوچرخه‌های برقی مشترک، تحویل فوری (برداشت، تحویل سریع) و سفر شخصی ارائه دهید. به عنوان مثال، باتری وسایل نقلیه تحویلی بیش از 2000 بار عمر چرخه دارد، که نیاز به محدوده کروز روزانه 100 کیلومتر را برآورده می کند.

مدل مبتکرانه تعویض باتری: مفهوم "تعویض باتری به جای شارژ ایمن تر است" را مطرح کنید و ایستگاه های تعویض باتری را در بیش از 100 شهر در سراسر کشور مستقر کنید. کاربران می توانند تعویض باتری را تنها در 30 ثانیه کامل کنند و مشکلات "شارژ آهسته و خطرات ایمنی شارژ" وسایل نقلیه دو-دو چرخدار را حل کند و به بیش از 400 میلیون کاربر سفرهای دو چرخه خدمات ارائه دهد.

ظرفیت تولید و جهانی شدن: با ظرفیت تولید سالانه بیش از 5 گیگاوات ساعت، محصولات به بیش از 10 کشور صادر می شود که با استانداردهای ولتاژ و شرایط آب و هوایی کشورهای مختلف سازگار است (به عنوان مثال، باتری های نسخه با دمای بالا برای جنوب شرق آسیا، که می توانند در محیط 60 درجه به طور پایدار کار کنند).

نتیجه‌گیری: باتری‌های لیتیومی - موتور اصلی انقلاب انرژی

از تلفن‌های همراه گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی، از ذخیره‌سازی انرژی تا{0}}اقتصاد در ارتفاع کم، باتری‌های لیتیومی به موتور اصلی انقلاب انرژی تبدیل شده‌اند. تکامل تکنولوژیکی آنها نه تنها به بهبود عملکرد تجهیزات مربوط می شود بلکه به تحقق هدف "کربن دوگانه" و تغییر ساختار انرژی نیز مربوط می شود. در آینده، با پیشرفت-باتری‌های حالت جامد و فناوری شارژ سریع، و همچنین کاهش مداوم هزینه‌ها، باتری‌های لیتیومی در زمینه‌های بیشتری (مانند اکتشافات هوافضا و دریاهای عمیق-) نقش خواهند داشت و پشتیبانی محکمی برای آینده انرژی سبز انسانی ارائه می‌کنند.

برای کاربران عادی، درک اصول اولیه و پارامترهای عملکرد باتری‌های لیتیومی می‌تواند به ما در استفاده علمی‌تر از باتری‌ها کمک کند (مانند جلوگیری از شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد-). برای دست اندرکاران صنعت، درک روندهای فنی و نیازهای سناریو، کلید یافتن فرصت ها در "صد{1}}میلیارد- مسیر سطح باتری های لیتیومی است. چه مصرف کننده باشید و چه پزشک، داستان باتری های لیتیومی همچنان ادامه دارد.