ما هي بطاريات ليثيوم أيون

1 ما هي بطاريات الليثيوم أيون？

البطارية هي مصدر للطاقة الكهربائية تتكون من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر مع وصلات خارجية لتشغيل الأجهزة الكهربائية بطارية ليثيوم أيون أو بطارية ليثيوم أيون هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن والتي تستخدم الاختزال العكسي لأيونات الليثيوم لتخزين الطاقة وتشتهر بكثافة الطاقة العالية.

2 هيكل بطاريات ليثيوم أيون

بشكل عام، تستخدم معظم بطاريات Li-ion التجارية مركبات الإقحام كمواد نشطة. وهي تتكون عادةً من عدة طبقات من المواد التي يتم ترتيبها بترتيب معين لتسهيل العملية الكهروكيميائية التي تمكن البطارية من تخزين وإطلاق الطاقة - الأنود والكاثود والكهارل والفاصل ومجمع التيار.

ما هو الأنود؟

باعتباره أحد مكونات البطارية، يلعب الأنود دورًا مهمًا في سعة البطارية وأدائها ومتانتها. عند الشحن، يكون أنود الجرافيت مسؤولاً عن قبول وتخزين أيونات الليثيوم. عندما يتم تفريغ البطارية، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى الكاثود بحيث يتولد تيار كهربائي. بشكل عام، الأنود الأكثر استخدامًا تجاريًا هو الجرافيت، والذي في حالته الليثيومية الكاملة LiC6 يرتبط بقدرة قصوى تبلغ 1339 C/g (372 mAh/g) ولكن مع تطور التقنيات، تم البحث عن مواد جديدة مثل السيليكون لتحسين كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون.

ما هو الكاثود؟

يعمل الكاثود على قبول وإطلاق أيونات الليثيوم الموجبة الشحنة خلال الدورات الحالية. يتكون عادة من هيكل متعدد الطبقات من أكسيد متعدد الطبقات (مثل أكسيد كوبالت الليثيوم)، أو متعدد الأنيون (مثل فوسفات حديد الليثيوم) أو الإسبنيل (مثل أكسيد منغنيز الليثيوم) المطلي على مجمع الشحن (عادةً ما يكون مصنوعًا من الألومنيوم). 

ما هو المنحل بالكهرباء؟

باعتباره ملح الليثيوم في مذيب عضوي، يعمل الإلكتروليت كوسيط لأيونات الليثيوم للتنقل بين الأنود والكاثود أثناء الشحن والتفريغ.

ما هو الفاصل؟

كغشاء رقيق أو طبقة من مادة غير موصلة، يعمل الفاصل على منع الأنود (القطب السالب) والكاثود (القطب الموجب) من القصر، لأن هذه الطبقة قابلة للنفاذ لأيونات الليثيوم ولكن ليس للإلكترونات. يمكنه أيضًا ضمان التدفق المستمر للأيونات بين الأقطاب الكهربائية أثناء الشحن والتفريغ. لذلك، يمكن للبطارية الحفاظ على جهد ثابت وتقليل خطر ارتفاع درجة الحرارة أو الاحتراق أو الانفجار.

ما هو المجمع الحالي؟

تم تصميم المجمع الحالي لجمع التيار الناتج عن أقطاب البطارية ونقله إلى الدائرة الخارجية، وهو أمر مهم لضمان الأداء الأمثل وطول عمر البطارية. وعادة ما تكون مصنوعة من صفائح رقيقة من الألومنيوم أو النحاس.

3 تاريخ تطور بطاريات الليثيوم أيون

يعود تاريخ الأبحاث المتعلقة ببطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن إلى ستينيات القرن العشرين، ومن أقدم الأمثلة على ذلك بطارية CuF2/Li التي طورتها وكالة ناسا في عام 1960. 1965 وضربت أزمة النفط العالم في السبعينيات، فحول الباحثون انتباههم إلى مصادر بديلة للطاقة، لذلك تم الاختراق الذي أنتج الشكل الأول لبطارية ليثيوم أيون الحديثة بسبب الوزن الخفيف وكثافة الطاقة العالية لبطاريات أيون الليثيوم. وفي الوقت نفسه، اكتشف ستانلي ويتنجهام من شركة إكسون أنه يمكن إدخال أيونات الليثيوم في مواد مثل TiS2 لإنشاء بطارية قابلة لإعادة الشحن. 

فحاول تسويق هذه البطارية لكنه فشل بسبب ارتفاع تكلفتها ووجود معدن الليثيوم في الخلايا. في عام 1980، تم العثور على مادة جديدة توفر جهدًا أعلى وأكثر استقرارًا في الهواء، والتي سيتم استخدامها لاحقًا في أول بطارية ليثيوم أيون تجارية، على الرغم من أنها لم تحل بمفردها مشكلة القابلية للاشتعال المستمرة. وفي العام نفسه، اخترع رشيد اليزمي قطب الليثيوم جرافيت (الأنود). وبعد ذلك في عام 1991، بدأت أول بطاريات ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن في العالم في دخول السوق. في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، زاد الطلب على بطاريات الليثيوم أيون مع انتشار الأجهزة الإلكترونية المحمولة، مما دفع بطاريات الليثيوم أيون إلى أن تكون أكثر أمانًا وأكثر متانة. تم طرح السيارات الكهربائية في عام 2010، مما أدى إلى خلق سوق جديد لبطاريات الليثيوم أيون 

استمر تطوير عمليات ومواد التصنيع الجديدة، مثل أنودات السيليكون والكهارل ذات الحالة الصلبة، في تحسين أداء وسلامة بطاريات الليثيوم أيون. في الوقت الحاضر، أصبحت بطاريات الليثيوم أيون ضرورية في حياتنا اليومية، لذا فإن البحث والتطوير لمواد وتقنيات جديدة مستمر لتحسين أداء هذه البطاريات وكفاءتها وسلامتها.

4. أنواع بطاريات الليثيوم أيون

تأتي بطاريات الليثيوم أيون في مجموعة متنوعة من الأشكال والأحجام، وليست جميعها متساوية. عادة هناك خمسة أنواع من بطاريات الليثيوم أيون.

ل أكسيد الكوبالت الليثيوم

يتم تصنيع بطاريات أكسيد كوبالت الليثيوم من كربونات الليثيوم والكوبالت وتعرف أيضًا باسم كوبالت الليثيوم أو بطاريات كوبالت ليثيوم أيون لديهم كاثود أكسيد الكوبالت وأنود كربون الجرافيت، وتهاجر أيونات الليثيوم من الأنود إلى الكاثود أثناء التفريغ، مع عكس التدفق عند شحن البطارية. أما بالنسبة لتطبيقها، فهي تستخدم في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، والمركبات الكهربائية، وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة بسبب طاقتها النوعية العالية، ومعدل التفريغ الذاتي المنخفض، وجهد التشغيل العالي ونطاق درجة الحرارة الواسع. ولكن انتبه إلى مخاوف السلامة المتعلقة لاحتمالية الانفلات الحراري وعدم الاستقرار عند درجات الحرارة المرتفعة.

ل أكسيد الليثيوم المنغنيز

أكسيد الليثيوم المنغنيز (LiMn2O4) هو مادة الكاثود التي تستخدم عادة في بطاريات الليثيوم أيون. تم اكتشاف تقنية هذا النوع من البطاريات في البداية في الثمانينات، مع نشرها لأول مرة في نشرة أبحاث المواد في عام 1983. إحدى مزايا LiMn2O4 هي أنها تتمتع بثبات حراري جيد، مما يعني أنها أقل عرضة للانفلات الحراري، وهي أيضًا أكثر أمانًا من أنواع بطاريات الليثيوم أيون الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، فإن المنغنيز متوفر بكثرة ومتوفر على نطاق واسع، مما يجعله خيارًا أكثر استدامة مقارنة بمواد الكاثود التي تحتوي على موارد محدودة مثل الكوبالت. ونتيجة لذلك، يتم العثور عليها بشكل متكرر في المعدات والأجهزة الطبية، والأدوات الكهربائية، والدراجات النارية الكهربائية، وغيرها من التطبيقات. على الرغم من مزاياه، فإن LiMn2O4 أقل استقرارًا في التدوير مقارنة بـ LiCoO2، مما يعني أنه قد يتطلب استبدالًا أكثر تكرارًا، لذلك قد لا يكون مناسبًا لأنظمة تخزين الطاقة طويلة المدى.

ل فوسفات حديد الليثيوم (LFP)

يُستخدم الفوسفات ككاثود في بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد، والتي تُعرف غالبًا باسم بطاريات الليثيوم فوسفات. لقد أدت مقاومتها المنخفضة إلى تحسين استقرارها الحراري وسلامتها كما أنها مشهورة بمتانتها ودورة حياتها الطويلة، مما يجعلها الخيار الأكثر فعالية من حيث التكلفة للأنواع الأخرى من بطاريات الليثيوم أيون. وبالتالي، يتم استخدام هذه البطاريات بشكل متكرر في الدراجات الكهربائية وغيرها من التطبيقات التي تتطلب دورة حياة طويلة ومستويات عالية من الأمان لكن عيوبه تجعل من الصعب التطور بسرعة. أولاً، بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من بطاريات الليثيوم أيون، فهي أكثر تكلفة لأنها تستخدم مواد خام نادرة وباهظة الثمن. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد بجهد تشغيل أقل، مما يعني أنها قد لا تكون مناسبة لبعض التطبيقات التي تتطلب جهدًا أعلى. إن وقت الشحن الأطول يجعله عيبًا في التطبيقات التي تتطلب إعادة شحن سريعة.

ل الليثيوم النيكل والمنغنيز وأكسيد الكوبالت (NMC)

بطاريات ليثيوم نيكل منغنيز وأكسيد الكوبالت، والمعروفة غالبًا باسم بطاريات NMC، مصنوعة من مجموعة متنوعة من المواد العالمية في بطاريات أيونات الليثيوم. يتم تضمين الكاثود المصنوع من مزيج من النيكل والمنغنيز والكوبالت إن كثافة الطاقة العالية والأداء الجيد في ركوب الدراجات والعمر الطويل جعلتها الخيار الأول في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الشبكة وغيرها من التطبيقات عالية الأداء، مما ساهم بشكل أكبر في تزايد شعبية السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة. ولزيادة السعة، يتم استخدام إلكتروليتات ومواد مضافة جديدة لتمكينها من الشحن إلى 4.4 فولت/خلية وأعلى. هناك اتجاه نحو Li-ion الممزوج بـ NMC نظرًا لأن النظام فعال من حيث التكلفة ويوفر أداءً جيدًا. النيكل والمنغنيز والكوبالت هي ثلاث مواد نشطة يمكن دمجها بسهولة لتناسب مجموعة واسعة من تطبيقات أنظمة تخزين الطاقة والسيارات (EES) التي تتطلب ركوب الدراجات بشكل متكرر.

 ومن هنا يمكننا أن نرى أن عائلة NMC أصبحت أكثر تنوعًا

ومع ذلك، فإن آثاره الجانبية المتمثلة في الهروب الحراري ومخاطر الحرائق والمخاوف البيئية قد تعيق مواصلة تطويره.

ل تيتانات الليثيوم

تيتانات الليثيوم، والمعروفة غالبًا باسم لي تيتانات، هي نوع من البطاريات التي لها عدد متزايد من الاستخدامات. بفضل تقنية النانو الفائقة، فهي قادرة على الشحن والتفريغ بسرعة مع الحفاظ على جهد ثابت، مما يجعلها مناسبة تمامًا لتطبيقات الطاقة العالية مثل المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة التجارية والصناعية والتخزين على مستوى الشبكة. وإلى جانب سلامتها وموثوقيتها، يمكن استخدام هذه البطاريات في التطبيقات العسكرية والفضائية، فضلاً عن تخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية وبناء الشبكات الذكية. علاوة على ذلك، وفقًا لـ Battery Space، يمكن استخدام هذه البطاريات في النسخ الاحتياطية المهمة لنظام الطاقة ومع ذلك، تميل بطاريات تيتانات الليثيوم إلى أن تكون أكثر تكلفة من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية بسبب عملية التصنيع المعقدة اللازمة لإنتاجها.

5. اتجاهات تطوير بطاريات الليثيوم أيون

وقد أدى النمو العالمي لمنشآت الطاقة المتجددة إلى زيادة إنتاج الطاقة المتقطع، مما أدى إلى خلق شبكة غير متوازنة. وقد أدى ذلك إلى الطلب على البطاريات. في حين أن التركيز على انبعاثات الكربون الصفرية والحاجة إلى الابتعاد عن الوقود الأحفوري، وتحديدا الفحم، لإنتاج الطاقة يدفع المزيد من الحكومات إلى تحفيز منشآت الطاقة الشمسية وطاقة الرياح. تتناسب هذه التركيبات مع أنظمة تخزين البطاريات التي تخزن الطاقة الزائدة المولدة. ولذلك، فإن الحوافز الحكومية لتحفيز تركيب بطاريات الليثيوم أيون تدفع أيضًا إلى تطوير بطاريات الليثيوم أيون على سبيل المثال، من المتوقع أن ينمو حجم السوق العالمية لبطاريات الليثيوم أيون NMC من مليون دولار أمريكي في عام 2022 إلى مليون دولار أمريكي في عام 2029؛ ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب قدره٪ من عام 2023 إلى 2029  ومن المتوقع أن تؤدي الاحتياجات المتزايدة للتطبيقات التي تتطلب أحمالًا ثقيلة إلى جعل بطاريات الليثيوم أيون من 3000-10000 هي القطاع الأسرع نموًا خلال الفترة المتوقعة (2022-2030).

6 تحليل الاستثمار في بطاريات الليثيوم أيون

من المتوقع أن تنمو صناعة سوق بطاريات أيون الليثيوم من 51.16 مليار دولار أمريكي في عام 2022 إلى 118.15 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2030، مما يُظهر معدل نمو سنوي مركب قدره 4.72٪ خلال الفترة المتوقعة (2022-2030)، والذي يعتمد على عدة عوامل.

ل تحليل المستخدم النهائي

تعد منشآت قطاع المرافق من المحركات الرئيسية لأنظمة تخزين طاقة البطاريات (BESS). ومن المتوقع أن ينمو هذا القطاع من 2.25 مليار دولار في عام 2021 إلى 5.99 مليار دولار في عام 2030 بمعدل نمو سنوي مركب قدره 11.5٪.  تُظهر بطاريات Li-ion معدل نمو سنوي مركب أعلى بنسبة 34.4% نظرًا لقاعدة نموها المنخفضة. تعد قطاعات تخزين الطاقة السكنية والتجارية مجالات أخرى ذات إمكانات سوقية كبيرة تبلغ 5.51 مليار دولار في عام 2030، من 1.68 مليار دولار في عام 2021. ويواصل القطاع الصناعي مسيرته نحو الصفر من الانبعاثات الكربونية، حيث تتعهد الشركات بخفض صافي الانبعاثات إلى الصفر في العقدين المقبلين. تعد شركات الاتصالات ومراكز البيانات في طليعة الجهود الرامية إلى الحد من انبعاثات الكربون مع زيادة التركيز على مصادر الطاقة المتجددة وكل ذلك من شأنه أن يعزز التطور السريع لل  بطاريات الليثيوم أيون حيث تجد الشركات طرقًا لضمان النسخ الاحتياطي الموثوق وموازنة الشبكة.

ل تحليل نوع المنتج

نظرًا لارتفاع أسعار الكوبالت، تعد البطاريات الخالية من الكوبالت أحد اتجاهات تطوير بطاريات الليثيوم أيون. يعد LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) عالي الجهد ذو كثافة الطاقة النظرية العالية أحد أكثر مواد الكاثود الخالية من المشارك الواعدة في المستقبل. علاوة على ذلك، أثبتت النتائج التجريبية أن أداء التدوير ومعدل C لبطارية LNMO قد تم تحسينه باستخدام المنحل بالكهرباء شبه الصلب. يمكن اقتراح أن COF الأنيوني قادر على امتصاص Mn3+/Mn2+ وNi2+ بقوة من خلال تفاعل كولومب، مما يحد من هجرتهم المدمرة إلى القطب الموجب. ولذلك، سيكون هذا العمل مفيدًا لتسويق مادة الكاثود LNMO.

ل التحليل الإقليمي

ستكون منطقة آسيا والمحيط الهادئ أكبر سوق لبطاريات الليثيوم أيون الثابتة بحلول عام 2030، مدفوعة بالمرافق والصناعات. وسوف تتفوق على أمريكا الشمالية وأوروبا بسوق يبلغ 7.07 مليار دولار أمريكي في عام 2030، مقارنة بـ 1.24 مليار دولار أمريكي في عام 2021 بمعدل نمو سنوي مركب قدره 21.3%. وستكون أمريكا الشمالية وأوروبا ثاني أكبر الأسواق بسبب أهدافهما المتمثلة في إزالة الكربون من اقتصاداتهما وشبكاتهما على مدى العقدين المقبلين. ستشهد أمريكا اللاتينية أعلى معدل نمو بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 21.4% بسبب حجمها الأصغر وقاعدتها المنخفضة.

7 الأشياء التي يجب مراعاتها عند شراء بطاريات ليثيوم أيون عالية الجودة

عند شراء عاكس شمسي بصري، لا يجب مراعاة السعر والجودة فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة العوامل الأخرى.

ل كثافة الطاقة

كثافة الطاقة هي كمية الطاقة المخزنة لكل وحدة حجم. تكون كثافة الطاقة الأعلى مع الوزن والحجم الأقل أكثر شمولاً بين دورات الشحن.

ل.  السلامة

تعد السلامة جانبًا مهمًا آخر لبطاريات الليثيوم أيون نظرًا للانفجارات والحرائق التي قد تحدث أثناء الشحن أو التفريغ، لذلك من الضروري اختيار البطاريات ذات آليات الأمان المحسنة، مثل أجهزة استشعار درجة الحرارة والمواد المثبطة.

ل النوع

أحد أحدث الاتجاهات في صناعة بطاريات الليثيوم أيون هو تطوير بطاريات الحالة الصلبة، والتي تقدم مجموعة من الفوائد مثل كثافة طاقة أعلى ودورة حياة أطول. على سبيل المثال، سيؤدي استخدام بطاريات الحالة الصلبة في السيارات الكهربائية إلى زيادة نطاقها وسلامتها بشكل كبير.

ل معدل الشحن

يعتمد معدل الشحن على مدى سرعة شحن البطارية بشكل آمن. في بعض الأحيان، يستغرق شحن البطارية وقتًا طويلاً قبل أن يتم استخدامها.

ل عمر

 لا توجد بطارية تعمل طوال العمر ولكن لها تاريخ انتهاء الصلاحية. تحقق من تاريخ انتهاء الصلاحية قبل إجراء عملية الشراء. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بعمر أطول بطبيعتها بسبب كيميائيتها ولكن كل بطارية تختلف عن بعضها البعض حسب النوع والمواصفات وطريقة تصنيعها. البطاريات عالية الجودة سوف تدوم لفترة أطول لأنها مصنوعة من مواد جيدة بداخلها.