מה זה סוללות ליתיום יון

1 מה זה סוללות ליתיום יון?

סוללה היא מקור כוח חשמלי המורכב מתא אלקטרוכימי אחד או יותר עם חיבורים חיצוניים להפעלת מכשירים חשמליים סוללת ליתיום או ליתיום היא סוג של סוללה נטענת המשתמשת בהפחתה הפיכה של יוני ליתיום כדי לאגור אנרגיה והיא מפורסמת בצפיפות האנרגיה הגבוהה שלהם.

2 המבנה של סוללות ליתיום יון

בדרך כלל רוב סוללות ה-Li-ion המסחריות משתמשות בתרכובות אינטרקלציה כחומרים פעילים. הם מורכבים בדרך כלל מכמה שכבות של חומרים המסודרים בסדר מסוים כדי להקל על התהליך האלקטרוכימי המאפשר לסוללה לאגור ולשחרר אנרגיה - אנודה, קתודה, אלקטרוליט, מפריד וקולט זרם.

מה זה אנודה?

כמרכיב בסוללה, האנודה ממלאת תפקיד חשוב בקיבולת, בביצועים ובעמידות של הסוללה. בעת הטעינה, אנודת הגרפיט אחראית על קבלת ואחסון יוני ליתיום. כאשר הסוללה מתרוקנת, יוני הליתיום עוברים מהאנודה לקתודה כך שנוצר זרם חשמלי. בדרך כלל האנודה הנפוצה ביותר בשימוש מסחרי היא גרפיט, שבמצב הליתי המלא שלו של LiC6 מתאם לקיבולת מקסימלית של 1339 C/g (372 mAh/g) אבל עם התפתחות הטכנולוגיות, נחקרו חומרים חדשים כמו סיליקון כדי לשפר את צפיפות האנרגיה עבור סוללות ליתיום-יון.

מהי קתודה?

הקתודה פועלת כדי לקבל ולשחרר יוני ליתיום בעלי מטען חיובי במהלך מחזורי זרם. הוא מורכב בדרך כלל ממבנה שכבות של תחמוצת שכבות (כגון תחמוצת קובלט ליתיום), פוליאניון (כגון ליתיום ברזל פוספט) או ספינל (כגון תחמוצת ליתיום מנגן) המצופה על קולט מטען (בדרך כלל עשוי מאלומיניום) 

מהו אלקטרוליט?

כמלח ליתיום בממס אורגני, האלקטרוליט משמש כתווך עבור יוני ליתיום לנוע בין האנודה לקתודה במהלך הטעינה והפריקה.

מה זה מפריד?

כממברנה דקה או שכבה של חומר לא מוליך, המפריד פועל כדי למנוע מהאנודה (אלקטרודה שלילית) ומהקתודה (אלקטרודה חיובית) לקצר, שכן שכבה זו חדירה ליוני ליתיום אך לא לאלקטרונים. זה גם יכול להבטיח זרימה יציבה של יונים בין האלקטרודות במהלך טעינה ופריקה. לכן, הסוללה יכולה לשמור על מתח יציב ולהפחית את הסיכון להתחממות יתר, בעירה או פיצוץ.

מהו אספן נוכחי?

קולט זרם נועד לאסוף את הזרם המופק מהאלקטרודות של הסוללה ולהעביר אותו למעגל החיצוני, דבר שחשוב להבטחת ביצועים אופטימליים ואריכות ימים של הסוללה. ובדרך כלל זה עשוי בדרך כלל מגיליון דק של אלומיניום או נחושת.

3 היסטוריית הפיתוח של סוללות ליתיום יון

מחקר על סוללות Li-ion נטענות מתוארך לשנות ה-60, אחת הדוגמאות המוקדמות היא סוללת CuF2/Li שפותחה על ידי נאס"א ב- 1965 ומשבר הנפט פגע בעולם בשנות ה-70, החוקרים הפנו את תשומת לבם למקורות אנרגיה חלופיים, כך שפריצת הדרך שיצרה את הצורה המוקדמת ביותר של סוללת ה-Li-ion המודרנית נוצרה בגלל משקלן הקל וצפיפות האנרגיה הגבוהה של סוללות ליתיום יון. במקביל, סטנלי וויטינגהאם מאקסון גילה שניתן להחדיר יוני ליתיום לחומרים כמו TiS2 כדי ליצור סוללה נטענת 

אז הוא ניסה למסחר את הסוללה הזו אך נכשל בשל העלות הגבוהה והנוכחות של ליתיום מתכתי בתאים. בשנת 1980 נמצא כי חומר חדש מציע מתח גבוה יותר והיה הרבה יותר יציב באוויר, אשר ישמש מאוחר יותר בסוללת ה-Li-ion המסחרית הראשונה, אם כי זה לא פתר, בעצמו, את הבעיה המתמשכת של דליקות. באותה שנה, Rachid Yazami המציא את אלקטרודת הליתיום גרפיט (אנודה). ואז בשנת 1991 החלו להיכנס לשוק סוללות הליתיום-יון הנטענות הראשונות בעולם. בשנות ה-2000, הביקוש לסוללות ליתיום-יון גדל ככל שמכשירים אלקטרוניים ניידים הפכו פופולריים, מה שמניע את סוללות הליתיום-יון להיות בטוחות ועמידות יותר. כלי רכב חשמליים הוצגו בשנות ה-2010, מה שיצר שוק חדש לסוללות ליתיום-יון 

הפיתוח של תהליכי ייצור וחומרים חדשים, כגון אנודות סיליקון ואלקטרוליטים במצב מוצק, המשיך לשפר את הביצועים והבטיחות של סוללות ליתיום-יון. כיום, סוללות ליתיום-יון הפכו חיוניות בחיי היומיום שלנו, ולכן המחקר והפיתוח של חומרים וטכנולוגיות חדשות נמשכים לשיפור הביצועים, היעילות והבטיחות של סוללות אלו.

4. סוגי סוללות ליתיום יון

סוללות ליתיום-יון מגיעות במגוון צורות וגדלים, ולא כולן עשויות להיות שוות. בדרך כלל ישנם חמישה סוגים של סוללות ליתיום-יון.

l ליתיום קובלט אוקסיד

סוללות ליתיום קובלט אוקסיד מיוצרות מליתיום קרבונט וקובלט ומוכרות גם כסוללות ליתיום קובלט או סוללות ליתיום יון קובלט יש להם קתודה תחמוצת קובלט ואנודת פחמן גרפיט, ויוני ליתיום נודדים מהאנודה לקתודה במהלך הפריקה, כאשר הזרימה מתהפכת כאשר הסוללה נטענת. באשר ליישומו, הם משמשים במכשירים אלקטרוניים ניידים, כלי רכב חשמליים ומערכות אחסון אנרגיה מתחדשת בגלל האנרגיה הספציפית הגבוהה שלהם, קצב הפריקה העצמית הנמוכה שלהם, מתח ההפעלה הגבוה וטווח הטמפרטורות הרחב. אבל שימו לב לחששות הבטיחות הקשורים אליהם. לפוטנציאל לבריחה תרמית וחוסר יציבות בטמפרטורות גבוהות.

l ליתיום מנגן אוקסיד

תחמוצת ליתיום מנגן (LiMn2O4) הוא חומר קתודה שנמצא בשימוש נפוץ בסוללות ליתיום-יון. הטכנולוגיה לסוללות מסוג זה התגלתה לראשונה בשנות השמונים, עם הפרסום הראשון ב- Materials Research Bulletin ב-1983. אחד היתרונות של LiMn2O4 הוא שיש לו יציבות תרמית טובה, כלומר פחות סביר שהוא יחווה בריחה תרמית, שהם גם בטוחים יותר מסוגי סוללות ליתיום-יון אחרים. בנוסף, מנגן נמצא בשפע וזמין באופן נרחב, מה שהופך אותו לאופציה בת קיימא יותר בהשוואה לחומרי קתודה המכילים משאבים מוגבלים כמו קובלט. כתוצאה מכך, הם נמצאים לעתים קרובות בציוד ומכשירים רפואיים, כלי עבודה חשמליים, אופנועים חשמליים ויישומים אחרים. למרות יתרונותיו, יציבות רכיבה ירודה יותר של LiMn2O4 בהשוואה ל-LiCoO2, מה שאומר שהוא עשוי לדרוש החלפה תכופה יותר, כך שייתכן שהוא לא מתאים למערכות אחסון אנרגיה ארוכות טווח.

l ליתיום ברזל פוספט (LFP)

פוספט משמש כקתודה בסוללות ליתיום ברזל פוספט, המכונה לעתים קרובות סוללות לי-פוספט. ההתנגדות הנמוכה שלהם שיפרה את היציבות והבטיחות התרמית שלהם הם מפורסמים גם בזכות עמידות ומחזור חיים ארוך, מה שהופך אותם לאופציה החסכונית ביותר לסוגים אחרים של סוללות ליתיום-יון. כתוצאה מכך, סוללות אלו משמשות לעתים קרובות באופניים חשמליים ויישומים אחרים הדורשים מחזור חיים ארוך ורמות גבוהות של בטיחות אבל החסרונות שלה מקשים על התפתחות מהירה. ראשית, בהשוואה לסוגים אחרים של סוללות ליתיום-יון, הן עולות יותר מכיוון שהן משתמשות בחומרי גלם נדירים ויקרים. בנוסף, לסוללות ליתיום ברזל פוספט יש מתח פעולה נמוך יותר, מה שאומר שהן עשויות שלא להתאים ליישומים מסוימים הדורשים מתח גבוה יותר. זמן הטעינה הארוך יותר שלו הופך אותו לחיסרון ביישומים הדורשים טעינה מהירה.

l ליתיום ניקל מנגן תחמוצת קובלט (NMC)

סוללות ליתיום ניקל מנגן קובלט אוקסיד, הידועות לרוב כסוללות NMC, בנויות ממגוון חומרים שהם אוניברסליים בסוללות ליתיום-יון. כלולה קתודה הבנויה מתערובת של ניקל, מנגן וקובלט צפיפות האנרגיה הגבוהה שלו, ביצועי הרכיבה הטובים ותוחלת החיים הארוכה שלו הפכו אותו לבחירה הראשונה בכלי רכב חשמליים, מערכות אחסון ברשת ויישומים בעלי ביצועים גבוהים אחרים, מה שתרם עוד יותר לפופולריות הגוברת של כלי רכב חשמליים ומערכות אנרגיה מתחדשת. כדי להגדיל את הקיבולת, נעשה שימוש באלקטרוליטים ותוספים חדשים כדי לאפשר לו להיטען עד 4.4V/תא ומעלה. ישנה מגמה ל-NMC-Blended Li-ion מכיוון שהמערכת חסכונית ומספקת ביצועים טובים. ניקל, מנגן וקובלט הם שלושה חומרים פעילים שניתן לשלב אותם בקלות כדי להתאים למגוון רחב של יישומי רכב ומערכות אחסון אנרגיה (EES) הדורשים רכיבה תכופה על אופניים.

 שממנו אנו יכולים לראות את משפחת NMC הופכת מגוונת יותר

עם זאת, תופעות הלוואי של בריחה תרמית, סכנות שריפות ודאגות סביבתיות עלולות להפריע להמשך התפתחותו.

l ליתיום טיטנאט

ליתיום טיטנאט, המכונה לעתים קרובות לי-טיטנאט, הוא סוג של סוללה שיש לה מספר הולך וגדל של שימושים. בגלל הננוטכנולוגיה המעולה שלו, הוא מסוגל לטעון ולפרוק במהירות תוך שמירה על מתח יציב, מה שהופך אותו למתאים היטב ליישומים בעלי הספק גבוה כגון רכבים חשמליים, מערכות אחסון אנרגיה מסחריות ותעשייתיות ואחסון ברמת הרשת. יחד עם הבטיחות והאמינות שלה, סוללות אלו יכולות לשמש ליישומים צבאיים וחלליים, כמו גם אחסון אנרגיית רוח ושמש ובניית רשתות חכמות. יתרה מכך, על פי Battery Space, ניתן להשתמש בסוללות אלו בגיבויים קריטיים למערכת החשמל עם זאת, סוללות ליתיום טיטנאט נוטות להיות יקרות יותר מסוללות ליתיום-יון מסורתיות בשל תהליך הייצור המורכב הנדרש לייצורן.

5. מגמות הפיתוח של סוללות ליתיום יון

הצמיחה העולמית של מתקני אנרגיה מתחדשת הגדילה את ייצור האנרגיה לסירוגין, ויצרה רשת לא מאוזנת. זה הוביל לביקוש לסוללות. בעוד שההתמקדות באפס פליטת פחמן והצורך להתרחק מדלקים מאובנים, כלומר פחם, לייצור חשמל דוחפים יותר ממשלות לתמרץ מתקני אנרגיה סולארית ורוח. מתקנים אלה מתאימים למערכות אחסון סוללות המאחסנות כוח עודף שנוצר. לכן, תמריצים ממשלתיים לתמרץ התקנות סוללות ליתיום יון מניעים גם את הפיתוח של סוללות ליתיום יון לדוגמה, גודל שוק סוללות הליתיום-יון של NMC העולמי צפוי לגדול ממיליון דולר ב-2022 למיליון דולר ב-2029; הוא צפוי לגדול ב-CAGR של % מ-2023 ועד 2029  והצרכים ההולכים וגדלים של יישומים הדורשים עומסים כבדים צפויים להפוך סוללות ליתיום יון של 3000-10000 לפלח הצומח ביותר בתקופת התחזית (2022-2030).

6 ניתוח ההשקעות של סוללות ליתיום יון

תעשיית שוק סוללות הליתיום יון צפויה לצמוח מ-51.16 מיליארד דולר בשנת 2022 ל-118.15 מיליארד דולר עד 2030, תוך הצגת שיעור צמיחה שנתי מורכב של 4.72% במהלך תקופת התחזית (2022-2030), שתלוי במספר גורמים.

l ניתוח משתמש קצה

התקנות מגזר השירותים הן גורמי מפתח למערכות אחסון אנרגיה בסוללות (BESS). פלח זה צפוי לגדול מ-2.25 מיליארד דולר ב-2021 ל-5.99 מיליארד דולר ב-2030 ב-CAGR של 11.5%.  סוללות Li-ion מציגות CAGR גבוה יותר של 34.4% בשל בסיס הצמיחה הנמוך שלהן. מגזרי אחסון אנרגיה למגורים ומסחריים הם תחומים אחרים עם פוטנציאל שוק גדול של 5.51 מיליארד דולר בשנת 2030, לעומת 1.68 מיליארד דולר בשנת 2021. המגזר התעשייתי ממשיך בצעדתו לעבר אפס פליטת פחמן, כאשר חברות מבטיחות אפס נטו בשני העשורים הבאים. חברות טלקום ומרכזי נתונים נמצאות בחזית הפחתת פליטת פחמן עם התמקדות מוגברת במקורות אנרגיה מתחדשים כל אלה יקדמו את ההתפתחות המהירה של  סוללות ליתיום יון כאשר חברות מוצאות דרכים להבטיח גיבוי אמין ואיזון רשת.

l ניתוח סוג מוצר

בגלל המחיר הגבוה של קובלט, סוללה נטולת קובלט היא אחת ממגמות הפיתוח של סוללות ליתיום-יון. מתח גבוה LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) עם צפיפות אנרגיה תיאורטית גבוהה הוא אחד החומרים המבטיחים ביותר לקתודה ללא Co-Free בהמשך. יתר על כן, תוצאות הניסוי הוכיחו שביצועי הרכיבה וקצב ה-C של סוללת LNMO משתפרים על ידי שימוש באלקטרוליט למחצה מוצק. ניתן להציע שה-COF האניוני מסוגל לספוג בחוזקה את ה-Mn3+/Mn2+ ו-Ni2+ באמצעות אינטראקציה של קולומב, ולבלום את ההגירה ההרסנית שלהם לאנודה. לכן, עבודה זו תועיל למסחור של חומר קתודי LNMO.

l ניתוח אזורי

אסיה-פסיפיק תהיה שוק סוללות הליתיום-יון הנייחות הגדול ביותר עד 2030, מונע על ידי שירותים ותעשיות. היא תעקוף את צפון אמריקה ואירופה עם שוק של 7.07 מיליארד דולר ב-2030, צמח מ-1.24 מיליארד דולר ב-2021 ב-CAGR של 21.3%. צפון אמריקה ואירופה יהיו השווקים הבאים בגודלם בשל מטרותיהן לשחרר את הפחמן של הכלכלות והרשת שלהן במהלך שני העשורים הבאים. LATAM יראה את קצב הצמיחה הגבוה ביותר ב-CAGR של 21.4% בגלל גודלו הקטן והבסיס הנמוך.

7 דברים שכדאי לקחת בחשבון עבור סוללות ליתיום יון איכותיות

בקניית מהפך סולארי אופטי, יש לקחת בחשבון לא רק את המחיר והאיכות, יש לזכור גם גורמים נוספים.

l צפיפות אנרגיה

צפיפות האנרגיה היא כמות האנרגיה האצורה ליחידת נפח. צפיפות אנרגיה גבוהה יותר עם פחות משקל וגודל היא נרחבת יותר בין מחזורי טעינה.

ל  בְּטִיחוּת

בטיחות היא היבט קריטי נוסף של סוללות ליתיום-יון שכן פיצוצים ושריפות שעלולים להתרחש בזמן טעינה או פריקה, לכן יש צורך לבחור בסוללות עם מנגנוני בטיחות משופרים, כגון חיישני טמפרטורה וחומרים מעכבים.

l סוג

אחת המגמות האחרונות בתעשיית סוללות הליתיום-יון היא פיתוח סוללות מוצק, המציעות מגוון יתרונות כמו צפיפות אנרגיה גבוהה יותר ומחזור חיים ארוך יותר. לדוגמה, השימוש בסוללות מוצק במכוניות חשמליות יגדיל משמעותית את יכולת הטווח והבטיחות שלהן.

l קצב הטעינה

קצב הטעינה תלוי באיזו מהירות הסוללה נטענת בצורה בטוחה. לפעמים לוקח לסוללה זמן רב להיטען לפני שניתן להשתמש בהם.

l תוחלת חיים

 אף סוללה לא פועלת במשך כל החיים אבל יש לה תאריך תפוגה. בדוק את תאריך התפוגה לפני ביצוע הרכישה. לסוללות ליתיום יון יש חיים ארוכים יותר בזכות הכימיה שלה אך כל סוללה שונה זו מזו בהתאם לסוג, למפרט ולאופן ייצורן. סוללות באיכות גבוהה יחזיקו מעמד זמן רב יותר מכיוון שהן עשויות מחומרים משובחים בפנים.