باتری های لیتیوم یونی چیست؟

1 باتری های لیتیوم یونی چیست؟

باتری منبع انرژی الکتریکی است که از یک یا چند سلول الکتروشیمیایی با اتصالات خارجی برای تامین انرژی دستگاه های الکتریکی تشکیل شده است باتری لیتیوم یون یا لیتیوم یون نوعی باتری قابل شارژ است که از احیای برگشت پذیر یون های لیتیوم برای ذخیره انرژی استفاده می کند و به چگالی انرژی بالا معروف است.

2 ساختار باتری های لیتیوم یونی

به طور کلی، بیشتر باتری‌های لیتیوم یونی تجاری از ترکیبات درون‌ساز به عنوان مواد فعال استفاده می‌کنند. آنها معمولاً از چندین لایه از مواد تشکیل شده‌اند که به ترتیب خاصی چیده شده‌اند تا فرآیند الکتروشیمیایی را تسهیل کنند که باتری را قادر می‌سازد انرژی ذخیره و آزاد کند - آند، کاتد، الکترولیت، جداکننده و جمع‌کننده جریان.

آند چیست؟

آند به عنوان جزئی از باتری، نقش مهمی در ظرفیت، عملکرد و دوام باتری دارد. هنگام شارژ، آند گرافیت وظیفه پذیرش و ذخیره یون های لیتیوم را بر عهده دارد. هنگامی که باتری تخلیه می شود، یون های لیتیوم از آند به کاتد حرکت می کنند تا جریان الکتریکی ایجاد شود. به طور کلی رایج‌ترین آند تجاری مورد استفاده، گرافیت است که در حالت کاملاً لیتیوم LiC6 با حداکثر ظرفیت 1339 C/g (372 mAh/g) همبستگی دارد. اما با توسعه فناوری‌ها، مواد جدیدی مانند سیلیکون برای بهبود چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم یون مورد تحقیق قرار گرفته‌اند.

کاتد چیست؟

کاتد برای پذیرش و آزادسازی یون های لیتیوم با بار مثبت در طول چرخه های جاری کار می کند. معمولاً از یک ساختار لایه‌ای از یک اکسید لایه‌ای (مانند اکسید لیتیوم کبالت)، یک پلی آنیون (مانند فسفات آهن لیتیوم) یا یک اسپینل (مانند اکسید لیتیوم منگنز) تشکیل شده است که روی یک کلکتور بار (معمولاً از آلومینیوم ساخته شده است) پوشیده شده است. 

الکترولیت چیست؟

به عنوان یک نمک لیتیوم در یک حلال آلی، الکترولیت به عنوان محیطی برای حرکت یون های لیتیوم بین آند و کاتد در طول شارژ و تخلیه عمل می کند.

جداکننده چیست؟

جداکننده به عنوان یک غشای نازک یا لایه ای از مواد نارسانا، از کوتاه شدن آند (الکترود منفی) و کاتد (الکترود مثبت) جلوگیری می کند، زیرا این لایه برای یون های لیتیوم نفوذپذیر است اما به الکترون ها نفوذ نمی کند. همچنین می تواند جریان ثابت یون ها را بین الکترودها در حین شارژ و تخلیه تضمین کند. بنابراین، باتری می تواند یک ولتاژ پایدار را حفظ کند و خطر گرم شدن بیش از حد، احتراق یا انفجار را کاهش دهد.

کلکتور فعلی چیست؟

کلکتور جریان برای جمع آوری جریان تولید شده توسط الکترودهای باتری و انتقال آن به مدار خارجی طراحی شده است که برای اطمینان از عملکرد بهینه و طول عمر باتری مهم است. و معمولاً معمولاً از یک ورق نازک آلومینیوم یا مس ساخته می شود.

3 تاریخچه توسعه باتری های لیتیوم یونی

تحقیقات در مورد باتری های لیتیوم یون قابل شارژ به دهه 1960 برمی گردد، یکی از اولین نمونه ها باتری CuF2/Li است که توسط ناسا در 1965 و بحران نفت در دهه 1970 جهان را تحت تأثیر قرار داد، محققان توجه خود را به منابع جایگزین انرژی معطوف کردند، بنابراین پیشرفتی که اولین شکل باتری مدرن لیتیوم یون را ایجاد کرد به دلیل وزن سبک و چگالی انرژی بالای باتری‌های یون لیتیوم بود. در همان زمان، استنلی ویتینگهام از اکسون کشف کرد که یون های لیتیوم را می توان به موادی مانند TiS2 وارد کرد تا یک باتری قابل شارژ ایجاد کند. 

بنابراین او سعی کرد این باتری را تجاری کند اما به دلیل هزینه بالا و وجود لیتیوم فلزی در سلول ها شکست خورد. در سال 1980 مواد جدیدی یافت شد که ولتاژ بالاتری ارائه می‌داد و در هوا بسیار پایدارتر بود، که بعداً در اولین باتری لیتیوم یونی تجاری مورد استفاده قرار گرفت، اگرچه به خودی خود مشکل دائمی اشتعال پذیری را حل نکرد. در همان سال، راشید یازمی الکترود لیتیوم گرافیت (آند) را اختراع کرد. و سپس در سال 1991، اولین باتری های لیتیوم یون قابل شارژ جهان شروع به ورود به بازار کردند. در دهه 2000، تقاضا برای باتری‌های لیتیوم یونی با محبوب شدن دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل افزایش یافت، که باعث می‌شود باتری‌های لیتیوم یون ایمن‌تر و بادوام‌تر شوند. خودروهای الکتریکی در سال 2010 معرفی شدند که بازار جدیدی را برای باتری‌های لیتیوم یونی ایجاد کردند. 

توسعه فرآیندها و مواد جدید تولید، مانند آندهای سیلیکونی و الکترولیت‌های حالت جامد، به بهبود عملکرد و ایمنی باتری‌های لیتیوم یون ادامه داد. امروزه باتری‌های لیتیوم یونی در زندگی روزمره ما ضروری شده‌اند، بنابراین تحقیق و توسعه مواد و فناوری‌های جدید برای بهبود عملکرد، کارایی و ایمنی این باتری‌ها ادامه دارد.

4. انواع باتری های لیتیوم یونی

باتری‌های لیتیوم یونی در اشکال و اندازه‌های مختلفی وجود دارند و همه آنها برابر نیستند. به طور معمول پنج نوع باتری لیتیوم یونی وجود دارد.

l اکسید لیتیوم کبالت

باتری‌های اکسید کبالت لیتیوم از کربنات لیتیوم و کبالت تولید می‌شوند و با نام‌های لیتیوم کبالتات یا باتری‌های لیتیوم یون کبالت نیز شناخته می‌شوند. آنها دارای یک کاتد اکسید کبالت و یک آند کربن گرافیت هستند و یون های لیتیوم در هنگام تخلیه از آند به کاتد مهاجرت می کنند و با شارژ شدن باتری جریان معکوس می شود. در مورد کاربرد آن، آنها در دستگاه های الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی تجدید پذیر به دلیل انرژی ویژه بالا، نرخ خود تخلیه کم، ولتاژ عملیاتی بالا و محدوده دمایی گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. اما به نگرانی های ایمنی مرتبط توجه کنید. به پتانسیل فرار حرارتی و ناپایداری در دماهای بالا.

l لیتیوم اکسید منگنز

اکسید منگنز لیتیوم (LiMn2O4) یک ماده کاتدی است که معمولاً در باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شود. فناوری این نوع باتری ابتدا در دهه 1980 کشف شد و اولین انتشار آن در بولتن تحقیقات مواد در سال 1983 بود. یکی از مزایای LiMn2O4 این است که پایداری حرارتی خوبی دارد، به این معنی که احتمال فرار حرارتی آن کمتر است، که همچنین نسبت به سایر انواع باتری لیتیوم یون ایمن تر هستند. علاوه بر این، منگنز فراوان و به طور گسترده در دسترس است، که آن را در مقایسه با مواد کاتدی که حاوی منابع محدودی مانند کبالت هستند، گزینه ای پایدارتر می کند. در نتیجه، آنها اغلب در تجهیزات و دستگاه های پزشکی، ابزارهای برقی، موتورسیکلت های برقی و سایر کاربردها یافت می شوند. علیرغم مزایای آن، LiMn2O4 پایداری دوچرخه‌سواری ضعیف‌تری نسبت به LiCoO2 دارد، به این معنی که ممکن است به تعویض مکرر نیاز داشته باشد، بنابراین ممکن است برای سیستم‌های ذخیره انرژی طولانی‌مدت مناسب نباشد.

l لیتیوم فسفات آهن (LFP)

فسفات به عنوان کاتد در باتری های لیتیوم فسفات آهن که اغلب به عنوان باتری های لیفسفات شناخته می شوند، استفاده می شود. مقاومت کم آنها باعث بهبود پایداری حرارتی و ایمنی آنها شده است آنها همچنین به دلیل دوام و چرخه عمر طولانی معروف هستند که آنها را به مقرون به صرفه ترین گزینه برای سایر انواع باتری های لیتیوم یون تبدیل می کند. در نتیجه، این باتری‌ها اغلب در دوچرخه‌های برقی و سایر کاربردهایی که نیاز به چرخه عمر طولانی و ایمنی بالایی دارند استفاده می‌شوند. اما معایب آن توسعه سریع آن را دشوار می کند. اولاً، در مقایسه با انواع دیگر باتری‌های لیتیوم یونی، هزینه بیشتری دارند زیرا از مواد خام کمیاب و گران قیمت استفاده می‌کنند. علاوه بر این، باتری‌های لیتیوم آهن فسفات دارای ولتاژ عملیاتی پایین‌تری هستند، به این معنی که ممکن است برای برخی از کاربردهایی که نیاز به ولتاژ بالاتری دارند، مناسب نباشند. زمان شارژ طولانی تر آن را در برنامه هایی که نیاز به شارژ سریع دارند به یک نقطه ضعف تبدیل می کند.

l لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت (NMC)

باتری‌های لیتیوم نیکل منگنز اکسید کبالت، که اغلب به عنوان باتری‌های NMC شناخته می‌شوند، از مواد مختلفی ساخته می‌شوند که در باتری‌های لیتیوم یون جهانی هستند. یک کاتد ساخته شده از ترکیبی از نیکل، منگنز و کبالت گنجانده شده است چگالی انرژی بالا، عملکرد خوب دوچرخه‌سواری و طول عمر طولانی آن را به اولین انتخاب در وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم‌های ذخیره‌سازی شبکه و سایر کاربردهای با کارایی بالا تبدیل کرده است که به محبوبیت روزافزون خودروهای الکتریکی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر کمک کرده است. برای افزایش ظرفیت، از الکترولیت‌ها و افزودنی‌های جدید استفاده می‌شود تا آن را قادر می‌سازد تا 4.4 ولت بر سلول و بالاتر شارژ شود. از آنجایی که این سیستم مقرون به صرفه است و عملکرد خوبی را ارائه می دهد، گرایشی به سوی Li-ion ترکیب شده با NMC وجود دارد. نیکل، منگنز و کبالت سه ماده فعالی هستند که ممکن است به راحتی برای طیف وسیعی از کاربردهای خودرو و سیستم‌های ذخیره انرژی (EES) که نیاز به دوچرخه‌سواری مکرر دارند، ترکیب شوند.

 از آن می توانیم ببینیم که خانواده NMC در حال متنوع تر شدن است

با این حال، عوارض جانبی ناشی از فرار حرارتی، خطرات آتش سوزی و نگرانی های زیست محیطی ممکن است توسعه بیشتر آن را مختل کند.

l لیتیوم تیتانات

لیتیوم تیتانات که اغلب به عنوان لی تیتانات شناخته می شود، نوعی باتری است که کاربردهای فزاینده ای دارد. به دلیل نانوتکنولوژی برتر، قادر به شارژ و تخلیه سریع و در عین حال حفظ ولتاژ پایدار است که آن را برای کاربردهای پرقدرت مانند خودروهای الکتریکی، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجاری و صنعتی و ذخیره‌سازی در سطح شبکه مناسب می‌کند. این باتری ها همراه با ایمنی و قابلیت اطمینان آن می توانند برای کاربردهای نظامی و هوافضا و همچنین ذخیره انرژی باد و خورشید و ساخت شبکه های هوشمند استفاده شوند. علاوه بر این، طبق گفته Battery Space، این باتری ها می توانند در پشتیبان گیری های حیاتی سیستم قدرت استفاده شوند. با این وجود، باتری‌های لیتیوم تیتانات به دلیل فرآیند ساخت پیچیده‌ای که برای تولید آنها لازم است، گران‌تر از باتری‌های لیتیوم یون سنتی هستند.

5. روند توسعه باتری های لیتیوم یونی

رشد جهانی تاسیسات انرژی تجدیدپذیر باعث افزایش تولید متناوب انرژی شده و شبکه نامتوازنی را ایجاد کرده است. این منجر به تقاضا برای باتری شده است. در حالی که تمرکز بر انتشار کربن صفر و نیاز به دور شدن از سوخت های فسیلی، یعنی زغال سنگ، برای تولید برق، دولت های بیشتری را بر آن می دارد تا نیروگاه های خورشیدی و بادی را تشویق کنند. این تاسیسات خود را به سیستم‌های ذخیره‌سازی باتری که انرژی اضافی تولید شده را ذخیره می‌کنند، می‌دهند. بنابراین، مشوق‌های دولت برای ایجاد انگیزه در نصب باتری‌های لیتیوم یونی نیز باعث توسعه باتری‌های لیتیوم یونی می‌شود. برای مثال، اندازه بازار جهانی باتری‌های لیتیوم یونی NMC از میلیون دلار در سال 2022 به میلیون دلار در سال 2029 افزایش خواهد یافت. انتظار می رود از سال 2023 تا CAGR درصد رشد کند 2029  و نیازهای روزافزون برنامه هایی که بارهای سنگین را می طلبند، پیش بینی می شود که باتری های لیتیوم یونی 3000-10000 را به سریع ترین بخش در حال رشد در طول دوره پیش بینی (2022-2030) تبدیل کند.

6 تجزیه و تحلیل سرمایه گذاری باتری های لیتیوم یونی

پیش‌بینی می‌شود صنعت بازار باتری‌های لیتیوم یونی از 51.16 میلیارد دلار در سال 2022 به 118.15 میلیارد دلار تا سال 2030 رشد کند، که نرخ رشد سالانه ترکیبی 4.72٪ را در طول دوره پیش‌بینی (2022-2030) نشان می‌دهد که به عوامل مختلفی بستگی دارد.

l تجزیه و تحلیل کاربر نهایی

تاسیسات بخش ابزار محرک های کلیدی برای سیستم های ذخیره انرژی باتری (BESS) هستند. انتظار می رود این بخش از 2.25 میلیارد دلار در سال 2021 به 5.99 میلیارد دلار در سال 2030 با CAGR 11.5 درصد افزایش یابد.  باتری‌های لیتیوم یونی به دلیل پایه رشد پایین، CAGR 34.4% بالاتری را نشان می‌دهند. بخش‌های ذخیره‌سازی انرژی مسکونی و تجاری سایر مناطق با پتانسیل بازار بزرگ 5.51 میلیارد دلاری در سال 2030 هستند، از 1.68 میلیارد دلار در سال 2021. بخش صنعت به حرکت خود به سمت انتشار کربن صفر ادامه می دهد و شرکت ها در دو دهه آینده تعهدات صفر خالص را می دهند. شرکت های مخابراتی و مراکز داده با تمرکز بیشتر بر منابع انرژی تجدیدپذیر در خط مقدم کاهش انتشار کربن هستند. همه اینها باعث توسعه سریع می شود  باتری‌های لیتیوم یون به عنوان شرکت‌ها راه‌هایی برای اطمینان از پشتیبان‌گیری قابل اعتماد و تعادل شبکه پیدا می‌کنند.

l تجزیه و تحلیل نوع محصول

به دلیل قیمت بالای کبالت، باتری بدون کبالت یکی از روندهای توسعه باتری های لیتیوم یونی است. ولتاژ بالا LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) با چگالی انرژی نظری بالا یکی از امیدوارکننده‌ترین مواد کاتد بدون Co-free در آینده است. علاوه بر این، نتایج تجربی ثابت کرد که عملکرد دوچرخه‌سواری و نرخ C باتری LNMO با استفاده از الکترولیت نیمه جامد بهبود می‌یابد. این را می توان پیشنهاد کرد که COF آنیونی قادر به جذب قوی Mn3 + / Mn2 + و Ni2 + از طریق برهمکنش کولن است و مهاجرت مخرب آنها به آند را مهار می کند. بنابراین، این کار برای تجاری سازی مواد کاتد LNMO مفید خواهد بود.

l تجزیه و تحلیل منطقه ای

آسیا و اقیانوسیه تا سال 2030 بزرگترین بازار باتری های لیتیوم یون ثابت خواهد بود که توسط شرکت ها و صنایع هدایت می شود. این کشور با بازار 7.07 میلیارد دلاری در سال 2030 از آمریکای شمالی و اروپا پیشی خواهد گرفت که از 1.24 میلیارد دلار در سال 2021 با CAGR 21.3 درصد رشد خواهد کرد. آمریکای شمالی و اروپا به دلیل اهدافشان برای کربن زدایی اقتصاد و شبکه خود در دو دهه آینده، بزرگترین بازارهای بعدی خواهند بود. LATAM به دلیل اندازه کوچکتر و پایه پایین، بالاترین نرخ رشد را در CAGR 21.4٪ خواهد دید.

7 چیزهایی که باید برای باتری های لیتیوم یونی با کیفیت بالا در نظر بگیرید

هنگام خرید اینورتر خورشیدی نوری، نه تنها باید قیمت و کیفیت را در نظر گرفت، بلکه باید عوامل دیگری را نیز در نظر داشت.

l چگالی انرژی

چگالی انرژی مقدار انرژی ذخیره شده در واحد حجم است. چگالی انرژی بالاتر با وزن و اندازه کمتر بین چرخه های شارژ گسترده تر است.

من  ایمنی

ایمنی یکی دیگر از جنبه‌های حیاتی باتری‌های لیتیوم یونی است، زیرا انفجارها و آتش‌سوزی‌هایی که ممکن است هنگام شارژ یا دشارژ شدن رخ دهد، بنابراین لازم است باتری‌هایی با مکانیسم‌های ایمنی بهبودیافته مانند سنسورهای دما و مواد بازدارنده انتخاب شوند.

l تایپ کنید

یکی از آخرین روندها در صنعت باتری های لیتیوم یون، توسعه باتری های حالت جامد است که طیف وسیعی از مزایای مانند چگالی انرژی بالاتر و چرخه عمر طولانی تر را ارائه می دهد. به عنوان مثال، استفاده از باتری های حالت جامد در خودروهای الکتریکی، قابلیت برد و ایمنی آنها را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

l نرخ شارژ

سرعت شارژ بستگی به سرعت شارژ ایمن باتری دارد. گاهی اوقات شارژ باتری قبل از استفاده طولانی مدت طول می کشد.

l طول عمر

 هیچ باتری برای تمام عمر کار نمی کند اما تاریخ انقضا دارد. قبل از خرید، تاریخ انقضا را بررسی کنید. باتری‌های لیتیوم یونی به دلیل ساختار شیمیایی، عمر طولانی‌تری دارند، اما هر باتری بسته به نوع، مشخصات و نحوه ساخت آنها با یکدیگر متفاوت است. باتری های با کیفیت بالا عمر طولانی تری خواهند داشت زیرا از مواد ظریف داخل ساخته شده اند.