سلول‌های باتری لیتیوم{0} یون: تعاریف، طبقه‌بندی، اصول کاری، و کاربردها در ذخیره‌سازی انرژی و فتوولتائیک

با توجه به پذیرش سریع ذخیره‌سازی انرژی جدید، تولید برق فتوولتائیک، وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل، باتری‌های لیتیومی به پرمصرف‌ترین وسیله برای ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی تبدیل شده‌اند. در حالی که این واژه اغلب به صورت محاوره‌ای به عنوان -همه برای محصولات مختلف مبتنی بر لیتیوم استفاده می‌شود، از نقطه نظر فنی، "باتری‌های لیتیومی" دو دسته مجزا را در بر می‌گیرند-باتری‌های لیتیومی اولیه و باتری‌های لیتیومی{4}}که به طور قابل توجهی از نظر ویژگی‌ها، ویژگی‌ها و کاربرد متفاوت هستند. باتری‌های لیتیوم{7}}، که به دلیل توانایی خود در انجام چرخه‌های تخلیه مکرر شارژ-و چگالی انرژی بالایشان متمایز می‌شوند، به عنوان گزینه اصلی برای کاربردهای مصرف‌کننده و صنعتی ظاهر شده‌اند.

 

به معنای دقیق، باتری‌های لیتیومی «فلش باتری» به‌طور خاص به باتری‌های لیتیومی اولیه-غیر{1}قابل شارژ و یک بار مصرف اشاره می‌کنند. ساختار آنها معمولاً از فلز لیتیوم یا آلیاژهای لیتیوم برای الکترودها استفاده می کند که با یک محلول الکترولیت غیرآبی{4} جفت می شوند. باتری های لیتیومی اولیه معمولی از دی اکسید منگنز به عنوان کاتد و از فلز لیتیوم خالص به عنوان آند استفاده می کنند که در نتیجه واکنش شیمیایی بالایی دارد. این باتری‌ها با بهره‌گیری از ویژگی‌های انرژی بالای شیمی لیتیوم اولیه، برای کاربردهای خاصی که نیاز به تحویل نیرو دقیق در سناریوهای یک‌بار- دارند، مناسب هستند. با این حال، به دلیل خواص مواد، آنها را نمی توان دوباره استفاده کرد.

 

 

ماهیت شیمیایی بسیار واکنش پذیر لیتیوم فلزی عامل اصلی محدود کننده پذیرش گسترده باتری های لیتیومی اولیه سنتی بوده است. لیتیوم فلزی خالص الزامات بسیار سختگیرانه ای را در مورد تولید، شرایط ذخیره سازی و محیط های عملیاتی اعمال می کند. به آسانی با هوا و رطوبت واکنش نشان می دهد و خطرات ایمنی را به همراه دارد که مدت هاست مانع صنعتی شدن باتری های لیتیومی یکبار مصرف در مقیاس بزرگ-می شود. در مقابل، سلول‌های باتری لیتیوم{3} یون قابل شارژ اساساً بر این گلوگاه‌های فناوری غلبه کرده‌اند و قابلیت بازیافت را ممکن کرده و عصر جدید انرژی مبتنی بر لیتیوم را آغاز کرده‌اند.

 

باتری های لیتیومی قابل شارژ که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، استاندارد تکامل یافته صنعت را نشان می دهند. آنها از طریق intercalation و de{1}}intercalation (مهاجرت) یون های لیتیوم بین کاتد و آند در طول چرخه شارژ و تخلیه عمل می کنند. از آنجایی که لیتیوم فلزی خالص در واکنش دخیل نیست، ایمنی و پایداری به طور قابل توجهی افزایش می یابد. این باتری های قابل شارژ طیف وسیعی از کاربردها را تامین می کنند، از لوازم الکترونیکی مصرفی و تجهیزات صنعتی گرفته تا وسایل نقلیه با انرژی جدید.

 

دهه‌ها تکامل فن‌آوری منجر به توسعه سیستم‌های مختلف مواد کاتدی اصلی برای باتری‌های لیتیومی- برای پاسخگویی به نیازهای عملیاتی مختلف شده است. به ویژه، فسفات آهن لیتیوم (LFP) به عنوان یک ماده اصلی برای ذخیره انرژی صنعتی پدید آمده است. مواد متداول کاتدی شامل اکسید لیتیوم کبالت، اکسید لیتیوم منگنز، اکسید لیتیوم نیکل و فسفات آهن لیتیوم است. انتخاب مواد ایمنی، عمر چرخه و چگالی انرژی باتری را تعیین می کند. سلول‌های LFP به دلیل ایمنی برتر و عمر چرخه فوق‌العاده طولانی، به انتخابی ارجح برای ذخیره‌سازی انرژی و کاربردهای نیروی محرکه تبدیل شده‌اند.

 

باتری‌های لیتیوم{0}} بر اساس حالت الکترولیتشان به انواع الکترولیت مایع-و پلیمری- طبقه‌بندی می‌شوند. باتری‌های الکترولیت{4}مایع از الکترولیت مایع استفاده می‌کنند. آنها دارای فناوری بالغ و هزینه های قابل مدیریت هستند که آنها را به گزینه اصلی برای باتری های خودروهای انرژی جدید تبدیل می کند. باتری‌های{6}الکترولیتی پلیمری از یک الکترولیت پلیمری جامد خشک یا ژل{7} استفاده می‌کنند که یک عامل نازک‌تر، سبک‌تر و ایمنی بیشتر را ارائه می‌دهد. سلول‌های LFP ترکیب شیمیایی فسفات آهن لیتیوم با فرآیندهای تولید بالغ، متعادل کردن عملکرد و هزینه برای کاربردهای مختلف-قدرت بالا.

 

در سال 1992 تجاری‌سازی شد، باتری‌های لیتیوم{1}}یون-با مزایایی مانند چگالی انرژی بالا، عدم وجود اثر حافظه، و میزان کم تخلیه خود{4}}به طور کامل جایگزین باتری‌های سرب{5}}اسیدی سنتی و باتری‌های لیتیوم اولیه- نسل اولیه شدند. در مقایسه با باتری‌های سنتی، از چرخه‌های تخلیه مکرر-شارژ پشتیبانی می‌کند و عمر مفید قابل‌توجهی را ارائه می‌دهد، که آن را برای سناریوهایی که نیاز به کارکرد طولانی‌مدت و مداوم دارند، مناسب می‌کند. صنعت ذخیره‌سازی انرژی باتری به مقیاس وسیع{11}}به‌کارگیری معمولی نیروگاه‌های ذخیره انرژی دست یافته است.