بطاريات الليثيوم أيون Li-ion أحد أنواع البطاريات القابلة الشحن وأحدث الأنواع وأفضلها وخلال العقدين الأخيرين من القرن العشرين ،لعبت بطارية الليثيوم جزء كبيرًا ومهمًا في سوق البطاريات، في البداية كانت أكثر تكلفة وتستخدم في تطبيقات خاصة على سبيل المثال التقنيات العسكرية والجوية والمركبات الفضائية. أدى البحث والتطوير في المجالات الكيمياء الكهربائية التطبيقية الوصول إلى تقنيات جديدة لبطاريات الليثيوم وبتكلفة أقل وأنواع مختلفة من بطاريات ليثيوم أيون.
بطارية الليثيوم والكبريت
بطارية الليثيوم والكبريت تتميز بطاقة كبيرة وتكلفة منخفضة ووفرة مادتها الخام وتقدم كثافة طاقة عالية ولها خصائص تفريغ جيدة في الأجواء الباردة ويمكن إعادة شحنها عند الدرجة – 60م. ولكن يعيبها دورة حياتها المحدودة والتي تبلغ من 50-40٠ دورة شحن/تفريغ.. وضعف الاستقرار عند الحرارة العالية.
بطارية أكسيد كوبلت الليثيوم LiCoO2
بطارية أكسيد كوبلت الليثيوم LiCoO2 (بالإنجليزية: Lithium Cobalt Oxide) لها طاقة نوعية عالية تجعلها الخيار الشائع للهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات الرقمية. تتكون البطارية من كاثود أكسيد الكوبالت وأنود الكربون الجرافيت. يحتوي الكاثود على هيكل متعدد الطبقات، وأثناء التفريغ ، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى القطب السالب. ينعكس التدفق عند الشحن.
عيب بطارية اكسيد الكوبلت LiCoO2 هو عمرها القصير نسبيًا واستقرار حراري منخفض وقدرات تحميل محدودة. تحتوي الأنظمة الأحدث على النيكل و/أو المنغنيز و/أو الألومنيوم لتحسين طول العمر وقدرات التحميل والتكلفة.
| جهد الخلايا | الجهد الاسمي 3.60V، مدى التشغيل النموذجي 3–4.2 V/cell |
| الطاقة النوعية | 200-150 واط ساعة لكل كيلوجرام 90–120 Wh/kg وتصل في الخلايا الخاصة 240Wh/kg. |
| عدد الدورات | 500–1000 دورة بحسب عمق التفريغ ودرجة الحرارة |
| التطبيقات | الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات |
بطارية أكسيد منغنيز الليثيوم (LiMn2O4)
تستخدم بطارية (Lithium Manganese Oxide) أكسيد منجنيز الليثيوم كمادة كاثودية. وتمتلك البطارية مقاومة داخلية منخفضة تتيح إمكانية الشحن السريع والتفريغ عالي التيار وتتميز بالاستقرار الحراري العالي، لكن لها دورات تفريغ محدودة.
| جهد الخلايا | الجهد الاسمي 3.80، مدى التشغيل النموذجي 3.0–4.2 V/cell |
| الطاقة النوعية | 150-100 واط ساعة لكل كيلوجرام 100–150 Wh/kg |
| عدد الدورات | 300–700 دورة بحسب عمق التفريغ ودرجة الحرارة |
| التطبيقات | أدوات كهربائية، أجهزة طبية، محركات كهربائية |
بطارية ليثيوم فوسفات الحديد LiFePO4
يوفر فوسفات الليثيوم LiF أداء كهروكيميائي جيد مع مقاومة منخفضة. أهم مميزات هذه البطاريات هي سعة التيار العالية وعدد دورات كثيرةk إلى جانب الاستقرار الحراري الجيد، وتحسين السلامة.
ـعتبر بطاريات (Lithium Iron Phosphate) أكثر تحملاً لظروف الشحن الكامل وأقل إجهادًا من أنظمة الليثيوم أيون الأخرى إذا تم الاحتفاظ بها عند جهد عالي لفترة طويلة. ولكن يعيبها انخفاض جهد الخلايا البالغ 3.2 فولت لكل خلية، وتنخفض الطاقة النوعية لها بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم كوبالت.
تقلل درجة الحرارة الباردة من الأداء وتقلل درجة حرارة التخزين المرتفعة من عمرها الافتراضي. وتمتلك بطاريات فوسفات الليثيوم تفريغ ذاتي أعلى من بطاريات Li-ion الأخرى، ويمكن التخفيف من ذلك عن طريق شراء خلايا عالية الجودة و / أو استخدام أنظمة تحكم إلكترونية متطورة، وكلاهما يزيد من تكلفة البطارية.
| جهد الخلايا | الجهد الاسمي 3.20 – 3.30 فولت؛ مدى التشغيل النموذجي 2.5-3.65 فولت/خلية |
| الطاقة النوعية | 120-90 واط ساعة لكل كيلوجرام 90–120 Wh/kg |
| عدد الدورات | 2000 دورة وأكثر بحسب عمق التفريغ ودرجة الحرارة |
| التكلفة | حوالي $580 لكل كيلو واط ساعة kWh |
| التطبيقات | في الأنظمة الشمسية والتطبيقات التي تحتاج إلى تيارات تحميل عالية |
بطارية أكسيد الكوبالت والمنغنيز والنيكل ليثيوم (LiNiMnCoO2)
أحد أكثر أنظمة ليثيوم أيون Li-ion نجاحًا هو عمل قطب الكاثود من النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC). يكمن سر الجمع بين النيكل والمنغنيز. أن النيكل له طاقة نوعية عالية ولكن ثباته سيئ، ويتمتع المنجنيز بمقاومة داخلية منخفضة ولكنه يوفر طاقة نوعية منخفضة. الجمع بين المعادن يعزز قوة بعضها البعض ونحصل على مزيج من المميزات الجيدة للمعادن. عادةً ما تكون تركيبة الكاثود عبارة عن ثلث نيكل وثلث منجنيز وثلث كوبالت.
هناك توجه نحو بطاريات ليثيوم (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide) الممزوجة بـ NMC حيث يمكن بناء بطاريات اقتصادية تحقق أداءً جيدًا. يمكن بسهولة مزج المواد الثلاث النشطة من النيكل والمنغنيز والكوبالت لتناسب مجموعة واسعة من تطبيقات لأنظمة الطاقة الشمسية والسيارات الكهربائية، التي تحتاج إلى دورات متكررة.
| جهد الخلايا | الجهد الاسمي 3.70، مدى التشغيل النموذجي 3.0–4.2 V/cell |
| الطاقة النوعية | 150-220 واط ساعة لكل كيلوجرام 220–150 Wh/kg |
| عدد الدورات | 1000–2000 دورة وأكثر بحسب عمق التفريغ ودرجة الحرارة |
| التكلفة | حوالي ~$420 لكل كيلو واط ساعة kWh |
| التطبيقات | في تطبيقات السيارات الكهربائية والأنظمة الشمسية |
بطارية أكسيد الألومنيوم والنيكل والكوبالت ليثيوم LiNiCoAlO2
بطارية أكسيد الألومنيوم والنيكل والنيكل والكوبالت ليثيوم (Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide)، أو NCA، موجودة منذ عام 1999 لتطبيقات خاصة. تتشابه مع بطاريات NMC بأن لها طاقة نوعية عالية، وعمر طويل. ولكن تكلفتها أعلى والسلامة أقل.
| جهد الخلايا | الجهد الاسمي 3.6، مدى التشغيل النموذجي 2.5-3.65 فولت/خلية |
| الطاقة النوعية | 260-200 واط ساعة لكل كيلوجرام 200–260 Wh/kg |
| عدد الدورات | 500 دورة وأكثر بحسب عمق التفريغ ودرجة الحرارة |
| التكلفة | حوالي$350 لكل كيلو واط ساعة kWh |
| التطبيقات | الأجهزة الطبية والصناعية وأجهزة النقل الكهربائية |
بطارية تيتانات الليثيوم (Li2TiO3)
البطاريات التي تحتوي على أنود lithium titanate معروفة منذ الثمانينيات. حيث يحل تيتانات الليثيوم محل الجرافيت في أنود بطارية ليثيوم أيون. ويمكن أن يكون الكاثود أكسيد منجنيز الليثيوم أو NMC. تتميز Li-titanate بجهد خلية اسمي يبلغ 2.40 فولت، ويمكن شحنها بسرعة وتوفر تيار تفريغ عالي 10C، أو 10 أضعاف السعة المقدرة. وتمتلك عدد الدورات أعلى من عدد دورات ليثيوم أيون Li-ion العادية. وأكثر امان، ولها خصائص تفريغ ممتازة في درجات الحرارة المنخفضة ويمكن الحصول على قدرة 80 بالمائة عند 30 درجة مئوية.
| جهد الخلايا | الجهد الاسمي 2.4، مدى التشغيل النموذجي 1.8-2.5 فولت/خلية |
| الطاقة النوعية | 80-50 واط ساعة لكل كيلوجرام 50–80 Wh/kg |
| عدد الدورات | 3,000–7,000 دورة بحسب عمق التفريغ ودرجة الحرارة |
| التكلفة | حوالي $1,005 لكل كيلو واط ساعة kWh |
| التطبيقات | أجهزة ال UPS، أنظمة الطاقة الشمسية |
